JP2008051598A - ガス分析装置及びガス分析方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、センサ部から解析装置に入力される信号数を少なくして解析装置に電送されるデータ量を少なくし、解析装置に入力されるデータ量を低減し、複数箇所にセンサユニットを設置して複数箇所におけるガス中のガス成分濃度をリアルタイムで測定できるガス分析装置を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明のガス分析方法は、レーザ光を分波器２２で計測用レーザ光と参照用レーザ光とに分波し、該計測用レーザ光をガス中を透過させて受光器２５で受光し、受光した計測用レーザ光の光強度と前記参照用レーザ光の光強度とからガス中のガス成分によって吸収された吸収スペクトルを把握し、該吸収スペクトルを分析してガス成分濃度を求めるガス分析方法であって、前記計測用レーザ光を光減衰器２３を通してガス中に照射し、ガス中を透過した計測用レーザ光の光強度が前記参照用レーザ光の光強度と所定の関係を有するように前記光減衰器を制御する。
【選択図】図２

Description

本発明は、ガスの分析装置に係り、特に、エンジンの排気管等のガス流路を流れているガスに含まれるガス成分濃度等をリアルタイムで求めることができるガス分析装置及びガス分析方法に関する。

従来、自動車等の排ガス分析装置として、特開２００４−１１７２５９号公報（特許文献１）に記載された車載型ＨＣ測定装置がある。この車載型ＨＣ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。
特開２００４−１１７２５９号公報

前記特許文献１に記載の排ガス分析装置は、実際の道路を走行中の車両において、その排ガス中のＴＨＣを簡易に測定できるものであるが、エンジンの排気経路から排ガスを分析部まで配管を通して移動させ、ガス成分の分析を行っているため、リアルタイムの分析が行えず、また、前述の設備等を小さく抑えるために、ＨＣなどの限られた成分しか分析することができない。エンジンの開発や、エンジンに付属する排ガス浄化装置等の機器の開発段階において、排ガス中の炭化水素以外の成分、例えば窒素酸化物や一酸化炭素等についても簡易に測定でき、しかも、排ガスの成分やガス濃度等をリアルタイムで測定できる排ガス分析装置が望まれている。

そこで、本出願人は、ガス中の例えば窒素酸化物や一酸化炭素等の多数のガス成分についても、簡易にリアルタイムで測定できるガス分析装置を開発した。そのガス分析装置を図７に示す。

センサ部７２には、中央に貫通口７３が形成されており、貫通口７３を挟んで反射鏡７４，７４が対向するように配置されている。このセンサ部７２は、エンジンに連結された排気管等のガス流路に設置され、センサ部７２の貫通口７３内を流れているガスにレーザ光が照射されるように構成されている。

そして、レーザダイオード７０は、計測対象ガス成分が吸収する波長を含む波長帯のレーザ光を発光し、発光されたレーザ光は光ファイバ８１により分波器７１に導光され、分波器７１により計測用レーザ光と参照用レーザ光とに分波される。分波された一方の計測用レーザ光は光ファイバ８２によりセンサ部７２の照射部に導光され、照射部から貫通口７３内を流れているガス中に照射される。ガス中に照射された計測用レーザ光は、反射鏡７４，７４間で複数回反射されながらガス中を透過している間に特定の波長のレーザ光がガス中に含まれているガス成分によって吸収された後、受光器７５で受光される。受光された計測用レーザ光は受光器７５で電気信号８５に変換され、その電気信号８５は差分検出器７７とＩ／Ｖ変換器８０とに出力される。Ｉ／Ｖ変換器８０に入力された電気信号８５はＩ／Ｖ変換器８０によってＩ／Ｖ変換された後、さらにＡ／Ｄ変換器７８でデジタル信号に変換されて計測受光強度信号として解析装置（コンピュータ）７９に入力される。

他方の参照用レーザ光は光ファイバ８３により受光器７６に導光され受光器７６で受光されて電気信号８６に変換され、その電気信号８６は差分検出器７７に出力される。差分検出器７７は、ガス中を透過した計測用レーザ光の電気信号８５と、ガス中を透過していない参照用レーザ光の電気信号８６との差を算出し、算出した差分信号はＡ／Ｄ変換器７８でデジタル信号に変換されて解析装置（コンピュータ）７９に出力される。

解析装置７９は、差分検出器７７から入力された差分信号と受光器７５からの計測受光強度を示す電気信号８５とに基づいて、所定強度の計測用レーザ光がガス中を透過したときにおける吸収スペクトル（規格化された吸収スペクトル）を把握する。解析装置７９は、算出した吸収スペクトルを理論スペクトルと比較・解析し、ガスの温度、圧力とともにガス中に含まれるガス成分濃度を測定している。

図７に示すガス分析装置では、計測領域であるセンサ部７２において排ガス中に照射された計測用レーザ光は、排ガスによる反射鏡７４の汚れや排ガス中に浮遊している粒子による散乱等のために図８に示すように、例えば、波長λ１において光強度Ｐ１で照射された計測用レーザ光は排ガス中を透過して受光器７５で受光されるときには光強度Ｐ２まで減衰されてしまう。計測用レーザ光が排ガス中を透過する際に減衰される割合は反射鏡７４の汚れの程度や排ガス中に浮遊する粒子の状況等により変化し一定ではない。

そのため、解析装置７９は、差分検出器７７からの差分信号とＩ／Ｖ変換器８０からの計測受光強度信号との２つの信号に基づいて一定の光強度の計測用レーザ光が排ガス中を透過したときに得られる規格化された吸収スペクトルを算出している。

したがって、図７に示すガス分析装置は、信号解析装置７９に差分信号と受光強度信号との２つの信号が入力されており、解析装置７９に入力されるデジタルのデータ量が多い。

ところが、現在、一般的な計測システムで使われている信号変換基板に採用されているＰＣＩバスの容量は約１００ＭＢ／ｓｅｃであり、ガス分析装置もこの一般的な信号変換基板を用いているため、１ＭＨｚ以上のデータサンプリングを行う場合にはＰＣＩバスの容量によりＡ／Ｄ変換器７８から解析装置７９に入力されるデジタルのデータ量が制限される。

図７は自動車の排気経路の１箇所で排ガスを測定する場合についての説明であるが、通常、車両の排気経路には排ガス浄化装置を取り付けており、その前後等で排ガスの測定を行う必要があるので、通常は排気経路の複数箇所で排ガスの測定を行う必要がある。また、ガス成分によって吸収するレーザ光の波長が異なっているので、計測対象とするガス成分を多くするとレーザ光の波長帯が広くなる。そのため、計測対象ガス成分を多くすると、解析装置７９に入力されるデータ量が増えることになるので、計測箇所を増やすことが制限される。

本発明は上記のような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、センサ部から解析装置に入力される信号数を少なくして解析装置に入力されるデータ量を低減させることにより、複数箇所にセンサ部を設置しても複数種のガス成分の濃度をリアルタイムで測定することができるガス分析装置を提供することである。

本発明のガス分析方法は、レーザ光を分波器で計測用レーザ光と参照用レーザ光とに分波し、該計測用レーザ光をガス中を透過させて受光器で受光し、受光した計測用レーザ光の光強度と前記参照用レーザ光の光強度とからガス中のガス成分によって吸収された吸収スペクトルを把握し、該吸収スペクトルを分析してガス成分濃度を測定するガス分析方法であって、前記計測用レーザ光を光減衰器を通してガス中に照射し、ガス中を透過した計測用レーザ光の光強度が前記参照用レーザ光の光強度と所定の関係を有するように前記光減衰器によって制御することを特徴としている。

また、本発明のガス分析装置は、レーザ光発光部で発光されたレーザ光を計測用レーザ光と参照用レーザ光とに分波する分波器と、前記計測用レーザ光をガス中に照射する照射部と、ガス中を透過した計測用レーザ光を受光する計測光用受光部と、参照用レーザ光を受光する参照光用受光部と、を備え、前記計測用レーザ光は光減衰器を通して照射部で照射されており、該光減衰器は、計測光用受光部で受光した計測用レーザ光の光強度が参照光用受光部で受光した参照用レーザ光の光強度と所定の関係を有するようにその減衰率が制御されていることを特徴としている。

本発明は、受光器で受光される計測用レーザ光の光強度を受光器で受光される参照用レーザ光の光強度と所定の関係を有するように光減衰器がフィードバック制御されているので、受光器で受光される計測用レーザ光は、反射板の汚れの程度やガス中に浮遊する粒子の状況等が変わっても常に参照用レーザ光の光強度と所定の関係を有するようにその光強度が制御されている。そのため、本発明では、ガス中を透過した計測用レーザ光の光強度を参照用レーザ光の光強度から求めることができ、計測用レーザ光の光強度信号を解析装置に入力する必要がないので、解析装置に入力するデータ量を少なくでき、測定箇所や測定するガス成分を増やすことが可能となる。

本発明の好ましい態様では、計測用レーザ光を分波器で複数に分波し、分波された複数の計測用レーザ光を異なる箇所の排気ガス中に照射して複数箇所のガス中のガス成分を測定することを特徴としている。

また、本発明のガス分析方法は、波長帯の異なる複数のレーザ光を分波器で計測光と参照光とにそれぞれ分波し、各計測光を光減衰器を通した後に合波して計測用レーザ光とし、該計測用レーザ光をガス中を透過させたのちに波長別分波器で前記波長帯の透過光に分波し、各参照光を合波して参照用レーザ光としたのち波長別分波器で前記波長帯の参照光に分波し、波長別分波器で分波された透過光の光強度と波長別分波器で分波された参照光の光強度とからガス中のガス成分によって吸収された吸収スペクトルを把握し、該吸収スペクトルを分析してガス成分濃度を測定するガス分析方法であって、前記波長別分波器で分波された透過光の光強度が、同じ波長帯の参照光の光強度と所定の関係を有するように前記光減衰器によって制御することを特徴としている。

さらに、本発明のガス分析装置は、波長帯の異なるレーザ光を発光する複数のレーザ光発光部と、波長帯の異なるそれぞれのレーザ光を計測光と参照光とに分波する分波器と、異なる波長帯の計測光同士を合波して計測用レーザ光とする合波器と、異なる波長帯の参照光同士を合波して参照用レーザ光とする合波器と、前記計測用レーザ光をガス中に照射する照射部と、ガス中を透過した計測用レーザ光を前記波長帯の透過光に分波する波長別分波器と、前記参照用レーザ光を前記波長帯の参照光に分波する波長別分波器と、を備え、前記各計測光は光減衰器を通して前記合波器で合波されており、該光減衰器は、波長別分波器で分波された透過光の光強度が同じ波長帯の参照光の光強度と所定の関係を有するようにその減衰率が制御されていることを特徴としている。

本発明は、波長帯の異なる複数のレーザ光を分波器で計測光と参照光とにそれぞれ分波し、各計測光を光減衰器を通した後に合波して計測用レーザ光とし、該計測用レーザ光をガス中を透過させたのちに波長別分波器で前記波長帯の計測用レーザ光に分波し、また、各参照光を合波して参照用レーザ光としたのち波長別分波器で前記波長帯の参照用レーザ光に分波しているから、波長別分波器で分波された計測用レーザ光の光強度と波長別分波器で分波された参照用レーザ光の光強度とからガス中のガス成分によって吸収された吸収スペクトルを把握し、該吸収スペクトルを分析してガス成分濃度を測定することができる。また、波長別分波器で分波された透過光の光強度が同じ波長帯の参照光の光強度と所定の関係を有するようにその減衰率が制御されているので、波長別分波器で分波された透過光の光強度信号を解析装置に入力する必要がなくなる。そのため、解析装置へ送信するデータ量を少なくすることができ、解析装置のＰＣＩバスの容量の範囲内で排気ガスに含まれる複数のガス成分を複数箇所で分析してその濃度等を測定することが可能となる。したがって、本発明は、アンモニア（１５３０ｎｍ）、一酸化炭素（１５６０ｎｍ）、二酸化炭素（１５７０ｎｍ）、メタン（１６８０ｎｍ）、水（１３５０ｎｍ）等の濃度を一度に求めることができる。

本発明の好ましい態様では、波長帯の異なるレーザ光を発光する複数のレーザ光発光部が、時間分割してそれぞれが異なる時間に発光されていることを特徴としており、これにより解析装置へのデータ量を少なくすることができるとともに、異なる波長帯同士の解析データの混入することがなく安定してガス成分の濃度を求めることができる。

さらに、本発明の好ましい態様では、波長帯の異なるそれぞれのレーザ光が、複数のレーザ光発光部から発光された波長帯の異なるレーザ光を、分波器により複数に分波されたものであり、複数の計測用レーザ光を異なる箇所の排気ガス中に照射して複数箇所におけるガス中のガス成分濃度を求めることを特徴としている。

本発明は、計測用レーザ光を光減衰器を通してガス中に照射し、ガス中を透過した計測用レーザ光の光強度を参照用レーザ光の光強度と所定の関係を有するように前記光減衰器によって制御しているので、ガス中を透過した計測用レーザ光の光強度のデータを分析装置に入力する必要がなくなる。そのため、ガス中を透過した計測用レーザ光とガス中を透過していない参照用レーザ光とに基づいてガス中に含まれるガス成分の濃度等を分析するための解析装置に入力するデータ量を少なくすることができるので、ガス中に含まれる多種類のガス成分濃度を複数箇所でリアルタイムに分析して測定することができる。

以下、本発明に係るガス分析方法及びガス分析装置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２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装置としてのパーソナルコンピュータを含むガス分析装置の全体構成を示すブロック図である。

本発明に係るガス分析装置は、エンジンに連結された排気管４，５の排気経路に設置されるセンサ部１０と、排ガス中に照射するレーザ光を発光するとともに、レーザ光を受光する受光部からの電気信号が入力されるレーザ発振・受光コントローラ６と、排ガス中を透過して受光されたレーザ光の受光強度と排ガス中を透過しないレーザ光の受光強度とから排ガス中に含まれる成分とその濃度を解析するパーソナルコンピュータで構成された解析装置７とで構成されている。

センサ部１０は、図１に示すように、厚さが例えば５〜２０ｍｍ程度の板材から形成されたセンサベース１１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１２が形成されている。貫通孔１２は排気経路中を流れている排ガスが通過する。貫通孔１２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１１には外周面から貫通孔１２に向けて貫通する２つのセンサ孔１３，１４が形成されている。一方のセンサ孔１３にはレーザ光を集光するコリメータ１５が固定されて照射部が構成されており、このコリメータ１５にレーザ光を照射する光ファイバ５３が接続され、他方のセンサ孔１４にはレーザ光を受光するフォトダイオード等の受光器（ディテクタ）２５が固定されている。

センサベース１１には、貫通孔１２を挟んで対向して上下２枚の反射板１７，１７が固定されている。２枚の反射板１７，１７は平行状態に固定され、照射側の光ファイバ５３からコリメータ１５を通して集光され照射されるレーザ光が先ず下方の反射板１７により上方に向けて反射され、次いで上方の反射板１７により下方に向けて反射され、２枚の反射板１７，１７により交互に反射されることで、受光側の受光器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。

反射板１７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_２やＳｉＯ_２の薄膜が形成されているものが好ましい。また、反射板１７は、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１７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１１を取外して清掃することが好ましい。

センサベース１１はフランジ部Ｆ，Ｆに挟まれた状態で配置され、フランジ部Ｆ，Ｆとセンサベース１１との間にはガスケット９，９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９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１１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。

センサ部１０にレーザ光を供給する光ファイバ５３と、センサ部１０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受光器２５はレーザ発振・受光コントローラ６に接続される。すなわち、レーザ発振・受光コントローラ６の後述するレーザダイオードから出射されるレーザ光が、光ファイバ５３を通してセンサベース１１のセンサ孔１３を通して貫通孔１２内に照射され、反射板１７，１７で反射されたレーザ光がセンサ孔１４を通して受光側の受光器２５で受光され、受光器２５から出力される電気信号がケーブル６２を介してレーザ発振・受光コントローラ６に入力される構成となっている。

レーザ発振・受光コントローラ６は、レーザ光を発光するとともに、レーザ光を受光する受光部からの電気信号が入力され、差分信号をデジタル信号にして解析装置２９として機能するコンピュータ７に出力するものであり、図２に示すレーザダイオード２０、分波器２２、光減衰器２３、Ａ／Ｄ変換器２８、受光器２５，２６、差分検出器２７、Ｉ／Ｖ変換器３０、減衰器制御装置３１を備えている。

そして、レーザダイオード２０から照射されたレーザ光は光ファイバ５１により分波器２２に導光され、分波器２２によって参照用レーザ光と計測用レーザ光とに分波される。分波された一方の計測用レーザ光は光ファイバ５２により光減衰器２３に導光され、光減衰器２３で減衰されて光ファイバ５３によってセンサ部１０の照射部に導光され、照射部から貫通孔１２内に照射される。貫通孔１２内に照射されたレーザ光は、排ガス中を透過したのち受光器２５で受光されて電気信号に変換される。

本実施形態では、前記のように分波器２２で分波された計測用レーザ光は光減衰器２３を通して照射される構成とされている。この光減衰器２３は、排ガス中に照射される計測用レーザ光の光強度を調整するためのものであり、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。この光減衰器２３は減衰器制御装置３１によってその減衰率が制御されている。

減衰器制御装置３１は、排ガス中を透過した計測用レーザ光の光強度が参照用レーザ光の光強度と同じになるようにするためのものであり、受光器２５の電気信号６１がＩ／Ｖ変換器３０でＩ／Ｖ変換されて入力されるように構成されている。参照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参照光強度は変化しないので、参照光用の受光器２６で受光される参照用レーザ光の光強度は一定であり、減衰器制御装置３１にはこの参照用レーザ光の光強度が入力されている。減衰器制御装置３１は、参照用レーザ光の光強度と計測用レーザ光の光強度との差をフィードバック補正量として光減衰器２３に出力する。

光減衰器２３は、減衰器制御装置３１から供給されたフィードバック補正量に基づき計測用レーザ光を減衰させ、受光器２５で受光される計測用レーザ光の光強度を受光器２６で受光される参照用レーザ光の光強度と同じにする。

このフィードバック制御により受光器２５で受光される計測用レーザ光は、反射板１７の汚れの程度や排ガス中に浮遊する粒子の状況等がかわっても常に一定の光強度に制御されている。そのため、本実施形態では、計測用レーザ光の光強度信号を解析装置２９に入力する必要がないので、解析装置に入力するデータ量を少なくできる。

差分検出器２７は、排ガス中を透過した計測用レーザ光の電気信号６１と参照用レーザ光の電気信号６２とに基づいて差分信号を算出し、この差分信号は、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２８を介して解析装置２９に入力される。解析装置２９は差分検出器２７からの差分信号に基づいて排ガス中のガス成分によって吸収された吸収スペクトルを把握し、この吸収スペクトルを解析して排ガスの成分濃度や排ガスの温度を測定する。

ここで、ガス成分濃度Ｃは、以下の数式（１）から算出される。
Ｃ＝−ｌｎ（Ｉ／Ｉ_０）／ｋＬ………………（１）

この数式（１）において、Ｉは透過光強度、Ｉ_０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、入射光強度（Ｉ_０）に対する透過光強度（Ｉ）の比、シグナル強度（Ｉ／Ｉ_０）に基づいてガスの成分の濃度Ｃは算出される。本実施形態では、透過光強度Ｉとして、計測用レーザ光を受光する受光器２５から出力され、入射光強度Ｉ_０として、ガス中を透過しない参照用レーザ光を受光する受光器２６から出力される。

前記の如く構成された本実施形態のガスの分析方法について以下に説明する。レーザダイオード２０で発光されたレーザ光は、光ファイバ５１を通して分波器２２に至り、分波器２２で分波された参照光は光ファイバ５４を通して参照用レーザ光となり、受光器２６で電気信号に変換され入射光強度Ｉ_０として計測される。

また、分波器２２で分波された計測光は光減衰器２３を通して計測用レーザ光となり、センサ部１０の照射部に光ファイバ５３を通して導光され、排ガスが通過している貫通孔１２内に照射される。このとき、光減衰器２３は、排ガス中を透過した計測用レーザ光の光強度が参照用レーザ光の光強度と同じになるように減衰器制御装置３１によってフィードバック制御されているので、受光器２５で受光される計測用レーザ光は、反射板１７の汚れの程度や排ガス中に浮遊する粒子の状況等がかわっても常に一定の光強度に制御されている。

また、計測用レーザ光は反射板１７，１７で反射されることを繰り返して受光器２５に到達する。排ガス中を通り減衰した計測用レーザ光は受光器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検出器２７に入力される。計測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、精度の良い排ガスの成分濃度の測定が可能となる。

差分検出器２７では参照用レーザ光と計測用レーザ光との差を算出し、解析装置２９に差分信号を供給する。解析装置２９は、排ガス中を透過してガス成分によって吸収された吸収スペクトルを把握し、参照用レーザ光の光強度と、排ガス中を透過して減衰した計測用レーザ光のピーク波長の光強度との比（Ｉ／Ｉ_０）を算出し、排ガス中に含まれるガス成分濃度を算出する。

本実施形態では、計測用レーザ光は光減衰器を通し、参照用レーザ光は光減衰器を通していないが、参照用レーザ光を光減衰器で所定の光強度にすると後の解析装置の処理負担が軽減できる。

図３、４は本発明の第２の実施形態を示しており、図３は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であり、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を含むガス分析装置の全体構成を示すブロック図である。本実施形態は、排気経路の３箇所にセンサ部を設置し、各設置箇所において排ガス中に含まれているガス成分とその濃度等を分析して測定するものであり、ガス分析装置は、排気経路中の３箇所に設置された複数のセンサ部１０Ａ，１０Ｂ、１０Ｃを備えて構成される。第１のセンサ部１０Ａは第１触媒装置８Ａより上流側のエンジン２側の排気管４との間に設置され、第２のセンサ部１０Ｂは第１触媒装置８Ａの下流側に設置され、第３のセンサ部１０Ｃは第２触媒装置８Ｂの下流側に設置されている。

そして、分波器２１は、レーザダイオード２０で発光されたレーザ光を各センサ部１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃに導光するために分波するものであり、分波器２１によって分波されたレーザ光は、光ファイバ５３Ａ，５３Ｂ，５３Ｃによって分波器２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃに導光される。光ファイバ５３Ａで導光されたレーザ光は分波器２２Ａで計測光と参照光に分波され、計測光は光減衰器２３Ａを通って計測用レーザ光となってセンサ部１０Ａで排ガス中に照射される。参照光は光減衰器２４Ａ通って受光器２６Ａで電気信号に変換されている。光減衰器２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃは、センサ部１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃにおける参照光が同じ光強度になるようするためのものであり、これにより解析装置２９に入力するデータ量を少なくできる。

そして、他の構成は図１、２に示す実施形態と同様の構成である。
図３、４に示す実施形態では、排気経路の３箇所にセンサ部１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃを設置し、各設置箇所における差分検出器２７Ａ，２７Ｂ，２７Ｃからの差分信号をデジタル信号にして解析装置２９に送信するだけで排気経路の３箇所において排ガス中に含まれているガス成分とその濃度等を求めることができるので、Ａ／Ｄ変換器２８から解析装置２９へ送るデータ量を、信号変換基板のＰＣＩバスの容量の範囲内に抑えて、計測箇所を増やすことができる。

図５は本発明の第３の実施形態に係るガス分析装置を示しており、センサ部を排気経路の１箇所に設置して排ガスに含まれているＮＯ（一酸化窒素）と酸素（Ｏ_２）の濃度を測定するものである。

ガス中を透過させるレーザ光の波長は、検出するガス成分に合わせて設定され、例えば、酸素（Ｏ_２）を検出するのに適した波長は７６０ｎｍであり、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、一酸化窒素（ＮＯ）を検出するのに適した波長は１７９６ｎｍである。

酸素（Ｏ_２）を検出するのに適した波長とＮＯを検出するのに適した波長とは、波長の長さが違いすぎるので、１つのレーザダイオードによっては発光することができない。

そこで、レーザ発振・コントローラ６に、ＮＯの濃度を計測するためのレーザ光を発光するＮＯ用レーザダイオード３３と酸素の濃度を計測するためのレーザ光を発光する酸素用レーザダイオード３４とが備えられており、ＮＯ用レーザダイオード３３と酸素用レーザダイオード３４とは時間分割してそれぞれのレーザ光を発光している。

ＮＯ用レーザダイオード３３で発光されたＮＯ用レーザ光は光ファイバでＮＯ分波器122に導光され、ＮＯ計測光とＮＯ参照光とに分波される。分波されたＮＯ計測光とＮＯ参照光とはそれぞれ光減衰器123，223を通って計測用合波器３５と参照用合波器３６に導光される。

酸素用レーザダイオード３４で発光された酸素用レーザ光は光ファイバでＯ_２分波器222に導光され、酸素計測光と酸素参照光とに分波される。分波された酸素計測光と酸素参照光とはそれぞれ光減衰器323，423を通って計測用合波器３５と参照用合波器３６に導光される。

ＮＯ計測光と酸素計測光とは計測用合波器３５で合波されて計測用レーザ光となり、センサ部１０の照射部から排ガス中に照射され、排ガス中を透過している間に特定の波長のレーザ光が排ガス中の酸素とＮＯによって吸収された後、波長別分波器３７によって波長に応じてＮＯ透過光と酸素透過光とに分波される。ＮＯ透過光はＮＯ用受光器３９で受光されて電気信号であるＮＯ計測受光強度信号61Aに変換されて差分検出器２７とＩ／Ｖ変換器130とに送信され、酸素透過光は酸素用受光器４０で受光されて電気信号である酸素計測受光強度信号61Bに変換されて差分検出器２７とＩ／Ｖ変換器230とに送信される。

ＮＯ参照光との酸素参照光とは参照用合波器３６で合波されて参照用レーザ光となり、光ファイバで波長別分波器３８に導光され、波長に応じてＮＯ参照光と酸素参照光とに分波される。ＮＯ参照光は受光器４１で受光されて電気信号に変換されて差分検出器２７に入力され、酸素参照用レーザ光は酸素用受光器４２で受光されて電気信号に変換されて差分検出器２７に入力される。

ＮＯ計測光の光強度を制御する減衰器制御装置131は、Ｉ／Ｖ変換器130によってＩ／Ｖ変換された計測受光強度信号61Aに基づいて、ＮＯ透過光の光強度がＮＯ参照光の光強度と同じになるように光減衰器123の減衰率をフィードバック制御している。

また、酸素計測光の光強度を制御する減衰器制御装置231は、Ｉ／Ｖ変換器230によってＩ／Ｖ変換された計測受光強度信号61Ｂに基づいて、酸素透過光の光強度が酸素参照光の光強度と同じになるように光減衰器323の減衰率をフィードバック制御している。

差分検出器２７は、排ガス中を透過したＮＯ透過光の光強度と排ガス中を透過していないＮＯ参照光の光強度とを差分しＮＯ差分信号を算出し、算出したＮＯ差分信号をＡ／Ｄ変換器２８でデジタル信号に変換して解析装置（コンピュータ）２９に出力する。また、差分検出器２７は、排ガス中を透過した酸素透過光の光強度と排ガス中を透過していない酸素参照光の光強度とを差分し酸素差分信号を算出し、算出した酸素差分信号をＡ／Ｄ変換器２８でデジタル信号に変換して解析装置（コンピュータ）２９に出力する。

解析装置２９は、Ａ／Ｄ変換器２８から入力されたＮＯ透過光とＮＯ参照光との差分信号により排ガス中のＮＯによって吸収されたＮＯ吸収スペクトルを把握し、ＮＯ吸収スペクトルを解析してＮＯ濃度を求め、また、Ａ／Ｄ変換器２８から入力された酸素透過光と酸素参照光との差分信号により排ガス中の酸素によって吸収された酸素吸収スペクトルを把握し、酸素吸収スペクトルを解析して酸素濃度を求める。

この実施形態では、減衰器制御装置131が減衰器123の減衰率をフィードバック制御して、ＮＯ透過光の光強度光が所定の光強度に設定されているＮＯ参照光の光強度と同じにされており、ＮＯ透過光が常に設定された所定（一定）の光強度になるように制御されているので、解析装置２９は、所定の光強度のレーザ光を照射したときに得られる、規格化されたＮＯ吸収スペクトルを差分信号から把握することができる。

また、減衰器制御装置231が光減衰器223の減衰率をフィードバック制御して、酸素透過光の光強度が所定の光強度に設定されている酸素参照光の光強度と同じにされており、酸素計測透過光が常に設定された所定（一定）の光強度になるように制御されているので、解析装置２９は、所定の光強度のレーザ光を照射したときに得られる、規格化されたる酸素吸収スペクトルを差分信号から把握することができる。

したがって、ＮＯ計測受光強度信号61Aと酸素計測受光強度信号61Bを解析装置２９に入力する必要がなくなるので、Ａ／Ｄ変換器２８から解析装置２９に送信するデータ量を少なくすることができる。

本実施形態では、排ガス中を透過させたあと、ＮＯ計測光と酸素計測光とが合波された計測用レーザ光を波長別分波器３７でＮＯ透過光と酸素透過光に分波し、また、ＮＯ参照光と酸素参照光とが合波された参照用レーザ光を波長別分波器３８でＮＯ参照光と酸素参照光に分波しているので、ＮＯ透過光の光強度をＮＯ参照光の光強度と同じにするようにフィードバック制御することができる。

また、本実施形態では、ＮＯ用レーザダイオード３３と酸素用レーザダイオード３４とは時間分割してそれぞれのレーザ光を発光しているので、解析装置２９に入力されるデータ量は一層少なくすることができ、また、ＮＯ計測用のデータと酸素計測用のデータとが混入するおそれがない。

さらに、酸素透過光とＮＯ透過光とを波長別分波器３７，３８で分波して受光器３９，４０，４１，４２で受光しており、受光器を、受光するレーザ光の波長に適したものを選択することができるので、受光精度を向上できる。

上記説明では、ＮＯ用レーザダイオード３３と酸素用レーザダイオード３４とが時間分割してそれぞれのレーザ光を発光しているが、常時発光してももちろん良い。

図６は本発明の第４の実施形態に係るガス分析装置を示しており、センサ部１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃを排気経路の３箇所に設置して排ガスに含まれているＮＯ（一酸化窒素）とＯ_２（酸素）の濃度を測定するものである。

この実施形態は、ＮＯ用分波器122がＮＯ用レーザダイオード３３で発光されたレーザ光を６つに分波し、それぞれの計測箇所にＮＯ計測光とＮＯ参照光として送れるようにしており、また、酸素用分波器222が酸素用レーザダイオード３４で発光されたレーザ光を６つに分波し、それぞれの計測箇所に酸素計測光と酸素参照光として送れるようにしている。ＮＯ用分波器122で分波されたＮＯ参照光を減衰する光減衰器323A，323B，323Cは、それぞれのＮＯ参照光が同じ光強度になるように減衰率が設定されており、酸素用分波器222で分波された酸素参照光を減衰する光減衰器423A，423B，423Cは、それぞれの酸素参照光が同じ光強度になるように減衰率が設定されており、それにより解析装置２９における処理負荷が軽減される。

本実施例では、センサ部１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃを排気経路の３箇所に設置して排ガスに含まれているＮＯ（一酸化窒素）とＯ_２（酸素）の濃度を測定しているが、分析装置２９に入力する信号は差分検出器２７Ａ，２７Ｂ，２７Ｃからの３つですむから、信号変換基板のＰＣＩバスの容量の範囲内で計測箇所を増やすことができる。

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。

上述の実施形態では、減衰器制御装置によって排ガス中を透過した計測用レーザ光の光強度が参照用レーザ光の光強度と同じにすべく光減衰器をフィードバック制御しているが、排ガス中を透過した計測用レーザ光と参照用レーザ光との光強度を必ずしも同じにする必要はない。ガス中を透過した計測用レーザ光の光強度が、参照用レーザ光の光強度と所定の関係を有するように光減衰器によって制御していれば、解析装置２９でガス中を透過した計測用レーザ光の光強度が前記参照用レーザ光の光強度とを同じにすることができる。例えば、ガス中を透過した計測用レーザ光の光強度が、参照用レーザ光の光強度のP倍となるように制御していれば、解析装置２９で、参照用レーザ光の光強度をP倍することによりガス中を透過した計測用レーザ光と参照用レーザ光との光強度を同じにすることができる。

また、上述の実施形態では、本発明のガス分析装置は、自動車の排気管にセンサ部１０を設置してエンジンから排出される排ガスのガス成分を分析しているが、自動車の排気管に限らず管等の中を流れているガスであればその管にセンサ部１０を設置することにより管内を流れているガス成分をリアルタイムに分析することができる。

第１の実施形態に係るガス分析装置のセンサ部の要部構成を示す分解斜視図。 実施形態におけるレーザ発振・受光コントローラの要部構成および信号解析装置を含むガス分析装置のブロック構成図。 本発明の第２の実施形態に係る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。 第２の実施形態におけるレーザ発振・受光コントローラの要部構成および信号解析装置を含むガス分析装置のブロック構成図。 本発明の第３の実施形態におけるレーザ発振・受光コントローラの要部構成および信号解析装置を含むガス分析装置のブロック構成図。 本発明の第４の実施形態におけるレーザ発振・受光コントローラの要部構成および信号解析装置を含むガス分析装置のブロック構成図。 本出願人が開発したガス分析装置におけるレーザ発振・受光コントローラの要部構成および信号解析装置を含むブロック構成図。 本発明における吸収スペクトルを説明するためのグラフ。

符号の説明

１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ センサ部、２０ レーザダイオード、２２，２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ 分波器、２３，２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃ 光減衰器、２５ 受光器（ディテクタ）、２７，２７Ａ，２７Ｂ，２７Ｃ 差分検出器、２８，２８Ａ，２８Ｂ，２８Ｃ Ａ／Ｄ変換器、２９ 解析装置、３０ Ｉ／Ｖ変換器、３１ 減衰器制御器、３３ ＮＯ用レーザダイオード、３４ 酸素用レーザダイオード、３５，３６ 合波器、３７，３８ 波長別分波器、３９ ＮＯ用受光器、４０ ＮＯ用レーザダイオード、４１ ＮＯ参照光は受光器、４２ 酸素用受光器、４３ 酸素用分波器、５１，５２，５３，５３Ａ，５３Ｂ，５３Ｃ，５４ 光ファイバ、５８ Ｉ／Ｖ変換器

Claims (12)

1. レーザ光を分波器で計測用レーザ光と参照用レーザ光とに分波し、該計測用レーザ光をガス中を透過させて受光器で受光し、受光した計測用レーザ光の光強度と前記参照用レーザ光の光強度とからガス中のガス成分によって吸収された吸収スペクトルを把握し、該吸収スペクトルを分析してガス成分濃度を測定するガス分析方法であって、
   前記計測用レーザ光を光減衰器を通してガス中に照射し、ガス中を透過した計測用レーザ光の光強度が前記参照用レーザ光の光強度と所定の関係を有するように前記光減衰器によって制御することを特徴とするガス分析方法。
2. 前記計測用レーザ光を分波器で複数に分波し、分波された複数の計測用レーザ光を異なる箇所のガス中に照射して複数箇所のガス中のガス成分濃度を測定することを特徴とする請求項１記載のガス分析方法。
3. 前記参照用レーザ光は、光減衰器によって所定の光強度に設定されていることを特徴とする請求項１又は２記載のガス分析方法。
4. 波長帯の異なる複数のレーザ光を分波器で計測光と参照光とにそれぞれ分波し、各計測光を光減衰器を通した後に合波して計測用レーザ光とし、該計測用レーザ光をガス中を透過させたのちに波長別分波器で前記波長帯の透過光に分波し、各参照光を合波して参照用レーザ光としたのち波長別分波器で前記波長帯の参照光に分波し、波長別分波器で分波された透過光の光強度と波長別分波器で分波された参照光の光強度とからガス中のガス成分によって吸収された吸収スペクトルを把握し、該吸収スペクトルを分析してガス成分濃度を測定するガス分析方法であって、
   前記波長別分波器で分波された透過光の光強度が、同じ波長帯の参照光の光強度と所定の関係を有するように前記光減衰器によって制御することを特徴とするガス分析方法。
5. 前記波長帯の異なる複数のレーザ光は、時間分割してそれぞれが異なる時間に発光されていることを特徴とする請求項４記載のガス分析方法。
6. 前記波長帯の異なる複数のレーザ光は、異なるレーザダイオードで発光されたレーザ光が分波器で複数に分波されたものであり、合波された前記計測用レーザ光を異なる箇所のガス中に照射して複数箇所におけるガス成分濃度を測定することを特徴とする請求項４又は５記載のガス分析方法。
7. レーザ光発光部で発光されたレーザ光を計測用レーザ光と参照用レーザ光とに分波する分波器と、前記計測用レーザ光をガス中に照射する照射部と、ガス中を透過した計測用レーザ光を受光する計測光用受光部と、参照用レーザ光を受光する参照光用受光部と、を備え、前記計測光用受光部で受光した計測用レーザ光の光強度と参照光用受光部で受光した参照用レーザ光の光強度とからガス中のガス成分によって吸収された吸収スペクトルを把握し、該吸収スペクトルを分析してガス成分濃度を測定するガス分析装置であって、
   前記計測用レーザ光は光減衰器を通して照射部で照射されており、該光減衰器は、計測光用受光部で受光した計測用レーザ光の光強度が参照光用受光部で受光した参照用レーザ光の光強度と所定の関係を有するようにその減衰率が制御されていることを特徴とするガス分析装置。
8. 前記計測用レーザ光を分波器で複数に分波し、分波された複数の計測用レーザ光を異なる箇所のガス中に照射して複数箇所におけるガス中のガス成分濃度を測定することを特徴とする請求項７記載のガス分析装置。
9. 前記参照用レーザ光は、光減衰器によって所定の光強度に設定されていることを特徴とする請求項７又は８記載のガス分析装置。
10. 波長帯の異なるレーザ光を発光する複数のレーザ光発光部と、波長帯の異なるそれぞれのレーザ光を計測光と参照光とに分波する分波器と、異なる波長帯の計測光同士を合波して計測用レーザ光とする合波器と、異なる波長帯の参照光同士を合波して参照用レーザ光とする合波器と、前記計測用レーザ光をガス中に照射する照射部と、ガス中を透過した計測用レーザ光を前記波長帯の透過光に分波する波長別分波器と、前記参照用レーザ光を前記波長帯の参照光に分波する波長別分波器と、を備え、前記波長別分波器で分波された透過光の光強度と波長別分波器で分波された参照光の光強度とからガス中のガス成分によって吸収された吸収スペクトルを把握し、該吸収スペクトルを分析してガス成分濃度を測定するガス分析装置であって、
    前記各計測光は光減衰器を通して前記合波器で合波されており、該光減衰器は、波長別分波器で分波された透過光の光強度が同じ波長帯の参照光の光強度と所定の関係を有するようにその減衰率が制御されていることを特徴とするガス分析装置。
11. 前記波長帯の異なるレーザ光を発光する複数のレーザ光発光部は、時間分割してそれぞれが異なる時間に発光されていることを特徴とする請求項１０記載のガス分析装置。
12. 前記波長帯の異なるそれぞれのレーザ光は、複数のレーザ光発光部から発光された波長帯の異なるレーザ光を、分波器により複数に分波されたものであり、複数の計測用レーザ光を異なる箇所のガス中に照射して複数箇所におけるガス中のガス成分濃度を測定することを特徴とする請求項１０又は１１記載のガス分析装置。

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