JP2016085074A

JP2016085074A - ガス分析装置

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Publication number: JP2016085074A
Application number: JP2014216525A
Authority: JP
Inventors: 塁加藤; Rui Kato
Original assignee: Shimadzu Corp
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Priority date: 2014-10-23
Filing date: 2014-10-23
Publication date: 2016-05-19
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Also published as: JP6277938B2

Abstract

【課題】燃焼室内の測定対象ガス中の特定ガス量情報を算出する際に強度変化Ｉ_０（ν）を正確に作成することができるガス分析装置を提供する。
【解決手段】測定対象ガス中の特定ガス量情報を算出する演算部４１ｆを備えるガス分析装置１であって、第ｍサイクルの吸気工程後での各周期の所定波長範囲の測定光の強度変化Ｉ_ｍｎ（ν）、Ｉ_{ｍ（ｎ＋１）}（ν）、・・・における特定ガスの吸収ピークの面積値Ｄ_ｍｎ、Ｄ_{ｍ（ｎ＋１）}、・・・を算出する面積値算出部４１ｄと、面積値Ｄ_ｍｎ、Ｄ_{ｍ（ｎ＋１）}、・・・に基づいて、第ｍサイクルの代表光強度変化Ｉ_０ｍ’（ν）を作成する代表基準線作成部４１ｅを備え、演算部４１ｆは、第ｍサイクルの圧縮工程又は燃焼工程での第（ｎ＋ａ）周期では、第（ｎ＋ａ）周期の所定波長範囲の測定光の強度変化Ｉ_{（ｎ＋ａ）}（ν）と代表光強度変化Ｉ_０ｍ’（ν）とを用いて、第（ｎ＋ａ）周期の特定ガスの吸収ピークを検出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ吸収分光法を利用して気体中の特定ガス量情報（密度・分圧・濃度）を計測するガス分析装置に関し、特に、半導体製造装置における真空領域中や煙道中や燃焼プロセス中や内燃機関（エンジン）の測定対象ガス（吸排気）中や燃料電池における流路中や地球温暖化ガス等の特定ガス量情報を計測するガス分析装置に関する。

従来、エンジン等の内燃機関からの排ガス中に含まれる炭化水素（ＨｙｄｒｏＣａｒｂｏｎ）濃度（以下、「成分濃度」という）を測定するために、ＦＩＤ（ＦｌａｍｅＩｏｎｉｚａｔｉｏｎＤｅｔｅｃｔｏｒ）法やＮＤＩＲ（Ｎｏｎ‐ＤｉｓｐｅｒｓｉｖｅＩｎｆｒａｒｅｄＲｅｄ）法と呼ばれる測定方法を用いた排ガス分析装置が知られている。

また、気体中の酸素濃度を計測する方法の一つとして、酸素分子が特定波長領域（例えば７６１ｎｍ）の光のみを吸収することを利用した吸収分光法が知られている。この吸収分光法は、測定対象ガスに対し非接触での測定が可能であるため、測定対象ガスの場を乱さずに測定対象ガス中の酸素濃度を計測することができ、かつ、極めて短い応答時間で計測することができる。

このような吸収分光法の中でも、特に光源に波長可変半導体レーザ（レーザ素子）を利用した「波長可変半導体レーザ吸収分光法」は、シンプルな装置構成で実現することができる。例えば、「波長可変半導体レーザ吸収分光法」を利用したガス分析装置では、測定対象ガスが所定方向に流れている配管に対して、配管に形成された入射用光学窓と出射用光学窓とを介して、配管を横切って光路（光路長ｌ）が形成されるようにそれぞれ対向して設けられる波長可変半導体レーザと光検出センサ（受光部）とを追加することが一般的である（例えば、特許文献１参照）。

このようなガス分析装置によれば、波長可変半導体レーザから発振された所定波長のレーザ光（測定光）は、配管内を通過する過程で測定対象ガス中に存在する酸素分子の遮光作用によってレーザ光の進行が阻害され、測定対象ガス中における酸素分子の濃度に対応して光検出センサに入射する光量が減少することを利用して、波長可変半導体レーザから発振されたレーザ光の光量に対する光検出センサに入射するレーザ光の光量を計測することによって酸素分子の濃度が算出される。図５は、ガス分析装置で得られた吸収スペクトルの一例を示すグラフである。縦軸は受光強度Ｉであり、横軸は周波数νである。なお、Ｉ_０（ν）（基準線）は周波数νにおいて酸素分子の吸収を受けなかった場合の受光強度であり、非吸収波長の受光強度Ｉに基づいて近似式を作成することで導出される。また、図中実線はＩ_０（ν）、一点鎖線はＩ（ν）を示している。

ここで、図５に示す吸収スペクトルを用いた演算処理の一例について説明する。Lambert-Beerの法則より下記式（１）が成り立つ。

なお、Ｉ_０（ν）は周波数νにおいて酸素分子の吸収を受けなかった場合の光強度、Ｉ（ν）は周波数νにおける透過光強度、ｃ（ｍｏｌ／ｃｍ^３）は酸素分子の数密度、ｌ（ｃｍ）は測定対象ガスを通過する光路の長さ、Ｓ（Ｔ）（ｃｍ^−１／（ｍｏｌ／ｃｍ^−２））は所定の吸収線強度における温度Ｔの関数、ｆ（ν）は吸収プロファイル関数である。
また、図６は、縦軸を−ｌｏｇ_１０（Ｉ（ν_０）／Ｉ_０（ν_０））とし、横軸を周波数νとしたグラフ（吸光度曲線）である。

このとき、測定対象ガスの全圧ｐが大気圧である場合には、吸収プロファイル関数ｆ（ν）は下記式（２）のローレンツプロファイルで表される。

なお、ν_０は吸収ピークの中心周波数、ν_Ｌは吸収ピークのローレンツ幅（半値全幅）である。
そして、式（１）に式（２）を代入すると、下記式（３）のようになる。

よって、中心周波数ν_０の透過光強度Ｉ（ν_０）は、下記式（４）で表されることになる。

したがって、温度Ｔと光強度変化Ｉ（ν）、Ｉ_０（ν）とを得ることができれば、式（４）を用いて酸素分子の数密度ｃが算出できることになる。

次に、図７は、波長可変半導体レーザ吸収分光法を利用したガス分析装置の一例を示す概略構成図である。なお、地面に水平な一方向をＸ方向、地面に水平でＸ方向と垂直な方向をＹ方向とし、Ｘ方向とＹ方向とに垂直な方向をＺ方向とする。
ガス分析装置１０１は、光源部１０と、受光部２０と、温度Ｔを測定するガス温度センサ３２と、マイコンやＰＣで構成される制御部１４０とを備える。

このようなガス分析装置１０１は、エンジン（内燃機関）５０の燃焼室内に存在する測定対象ガス中の酸素分子（特定ガス）の数密度（特定ガス量情報）ｃを計測するために用いられる。エンジン５０は、シリンダ（筒）５１と、シリンダ５１内でＺ方向と−Ｚ方向とに摺動可能なピストン５２と、コンロッド５３を介してピストン５２と連結されるクランクシャフト（図示略）と、ＥＣＵ６０とを備える。

吸気ポートと排気ポートとは、シリンダ５１のヘッドに形成され、燃焼室に対しては、吸気ポートと排気ポートとが連通する。吸気ポートは、吸気通路５４に接続され、吸気ポートと燃焼室との間には吸気ポートの燃焼室に対する開閉を行う吸気バルブ５６が設けられている。また、排気ポートは、排気通路５５に接続され、排気ポートと燃焼室との間には、排気ポートの燃焼室に対する開閉を行う排気バルブ５７が設けられている。
また、図示は省略するが、燃焼室には、燃焼室内に燃料を噴射するインジェクタや、燃焼室内の混合気に点火するための点火プラグ等が設けられる。

ＥＣＵ６０は、クランクシャフト近傍に設けられ、クランク位置やクランク角速度の検出を行う回転センサ等の各種センサからの情報が計測情報として入力され、エンジン５０の燃料噴射量や点火時期等の制御を行う。

このようなエンジン５０によれば、ピストン５２の下降とともに、吸気通路５４からの吸気ガスが吸気バルブ５６を介して燃焼室に吸入される吸気工程が行われる。吸気工程の後、吸気バルブ５６が閉じ、下死点に達したピストン５２の上昇により、吸入空気に燃料が噴射された混合気が燃焼室において圧縮される圧縮工程が行われる。ピストン５２が上死点近くまで上昇すると、所定のタイミングでの混合気に対する点火によって燃焼工程が行われる。そして、燃焼の圧力によって下降したピストン５２が、再度上昇する際に排気バルブ５７が開かれ、燃焼室内の燃焼ガスが排気バルブ５７を介して排気ガスとして排気通路５５に排出される排気工程が行われる。これら吸気工程と圧縮工程と燃焼工程と排気工程との４つの一連の工程が１回のサイクルとなる。

そして、シリンダ５１の側壁には、入射用光学窓となるレンズ３５と、レンズ（入射用光学窓）３５に−Ｘ方向に距離ｌを空けて対向配置される出射用光学窓となるレンズ３６とが形成されている。
また、燃焼室内には、ガス温度センサ３２が設置されており、測定対象ガスの温度Ｔを所定時間間隔で測定する。このようなガス温度センサ３２として、例えば熱電対や白金測温抵抗体やサーミスタ等が用いられる。

光源部１０は、半導体レーザ（例えば光通信用分布帰還系形（ＤＦＢ：distributed feedback）半導体レーザダイオード等）１１と、レンズ１３と、Ｄ／Ａコンバータ１２とを備える。そして、半導体レーザ１１からのレーザ光は、レンズ１３と光ファイバ３３を介してレンズ３５から燃焼室内に−Ｘ方向で入射するようになっており、燃焼室内に存在する測定対象ガスに照射されるようになっている。

また、このような光源部１０は、酸素分子の数密度ｃの連続モニタリングに使用されるときには、半導体レーザ１１の温度がペルチェモジュールで設定温度（一定）となるようにＰＩ制御され、半導体レーザ１１へ印加する駆動電流値を所定周期で変化させており、具体的には鋸歯形状となる駆動電流値が印加されることにより、所定波長範囲（スイープ幅）のレーザ光を所定周期で半導体レーザ１１から発振している。図８は、駆動電流値とレーザ光の発振波長との関係を示す概念図であり、図８（ａ）は、半導体レーザ１１へ印加する駆動電流値の波形図であり、図８（ｂ）は、その駆動電流値が印加された半導体レーザ１１から発振されたレーザ光の発振波長の波形図である。図８（ａ）に示すような駆動電流値の波形や設定温度は、連続モニタリングの開始に際してユーザによって入力されるか予め記憶されており、制御部１４０から制御信号として光源部１０に出力されるようになっている。

受光部２０は、光強度を電気信号に変換できるものであればよく、例えばフォトダイオード２１が用いられる。そして、フォトダイオード２１は、レンズ３６から燃焼室外に−Ｘ方向へ出射されたレーザ光を光ファイバ３４とレンズ２３とを介して受光するように配置されており、測定対象ガスを通過したレーザ光の強度Ｉ（ν）を受光する。そして、制御部１４０は、各周期においてフォトダイオード２１からＡ／Ｄコンバータ２２を介してレーザ光の強度Ｉ（ν）を取得することで、Ｉ_０（ν）とＩ（ν）とを算出するようになっている。

制御部１４０は、ＣＰＵ１４１とメモリ（データ記憶部）１４２とを備える。また、ＣＰＵ１４１が処理する機能をブロック化して説明すると、光源部１０を制御するレーザ制御部４１ａと、レーザ光の強度Ｉ_ｎ（ν）を取得する取得部４１ｂと、各周期ｎにおいて非吸収波長のレーザ光の強度Ｉ_ｎ（ν）に基づいて近似式を作成することにより強度変化Ｉ_０ｎ（ν）を作成する基準線作成部４１ｃと、各周期ｎにおいて式（４）を用いて数密度ｃ_ｎを算出する演算部４１ｆとを有する。

特開２０１０−２３７０７５号公報

しかしながら、上述したようなガス分析装置１０１では、燃焼室内の測定対象ガス中の酸素ガスの数密度ｃ_ｎを算出する場合に、サイクル中において燃焼室内の温度Ｔや圧力ｐがダイナミックに変化するのに伴って酸素ガスの吸収ピーク（吸収線）も大きく変化するため、半導体レーザ１１へ印加する駆動電流値（スイープ幅）を制御することが難しかった。

さらに、酸素ガスの吸収ピークの吸収線幅が広がるとともに高さが低くなり、特にスイープ幅よりも吸収線幅が広がる（ブロードになる）と、第ｎ周期の所定波長範囲の測定光の強度変化Ｉ_ｎ（ν）から強度変化Ｉ_０ｎ（ν）を作成することができなくなる場合があった。図９は、ガス分析装置１０１で得られた吸収スペクトルの一例を示すグラフである。縦軸は受光強度Ｉであり、横軸は周波数νである。なお、図中実線はＩ_０（ν）、一点鎖線はＩ（ν）を示している。

本出願人は、燃焼室内の測定対象ガス中の酸素ガスの数密度ｃ_ｎを算出する場合に、第ｎ周期の強度変化Ｉ_０ｎ（ν）を正確に作成する方法について検討した。
まず、圧縮工程では燃焼室内へのガスの出入りがなく、圧縮されたとしても燃焼室内の全てのガスが圧縮されるため酸素ガス濃度は変化しない。酸素ガス濃度が変化しなければ、吸光度曲線の形は変化しても、その吸収線の面積値Ｄ_ｎは温度Ｔによってのみ変化することになる。

次に、吸収線の形状が大気圧もしくはそれ以上のときには、上述したようにローレンツ関数に支配されることを利用して、吸気工程の終了直後の温度Ｔが大きく変化しない状況であって、大気圧程度で吸収線が比較的に先鋭となる状況では、吸収線の面積値Ｄ_ｎを正確に算出することができる。
よって、第ｍサイクルにおいて吸気工程の終了後に吸収線の面積値Ｄ_ｍｎ、Ｄ_{ｍ（ｎ＋１）}、・・・を計測していき、吸収線の面積値Ｄ_ｍｎ、Ｄ_{ｍ（ｎ＋１）}、・・・が、基準面積値と比較して１０％程度変化するまで（圧縮工程前半で圧縮率が低く吸収線が先鋭な際）の基準線Ｉ_０ｍｎ（ν）、Ｉ_{０ｍ（ｎ＋１）}（ν）、・・・の平均を取り、その平均を第ｍサイクルの圧縮工程後半や燃焼工程のような吸収線がブロードとなり基準線Ｉ_０ｎ（ν）が作成できない工程の基準線とすることを見出した。

すなわち、本発明のガス分析装置は、内燃機関の筒内の測定対象ガスに測定光を照射するレーザ素子を有する光源部と、前記測定対象ガス中を通過した測定光の強度を受光する受光部と、所定波長範囲の測定光をレーザ素子から所定周期で発振させるレーザ制御部と、前記受光部で受光された第ｎ周期の所定波長範囲の測定光の強度変化Ｉ_ｎ（ν）を用いて、特定ガスの吸収を受けなかった場合の第ｎ周期の所定波長範囲の測定光の強度変化Ｉ_０ｎ（ν）を作成し、第ｎ周期の特定ガスの吸収ピークを検出し、前記測定対象ガス中の特定ガス量情報を算出する演算部とを備えるガス分析装置であって、前記内燃機関は、吸気工程と圧縮工程と燃焼工程と排気工程とをこの順に所定サイクルで実行するものであり、第ｍサイクルの吸気工程後での各周期の所定波長範囲の測定光の強度変化Ｉ_ｍｎ（ν）、Ｉ_{ｍ（ｎ＋１）}（ν）、・・・における特定ガスの吸収ピークの面積値Ｄ_ｍｎ、Ｄ_{ｍ（ｎ＋１）}、・・・を算出する面積値算出部と、面積値Ｄ_ｍｎ、Ｄ_{ｍ（ｎ＋１）}、・・・に基づいて、第ｍサイクルの代表光強度変化Ｉ_０ｍ’（ν）を作成する代表基準線作成部とを備え、前記演算部は、第ｍサイクルの圧縮工程又は燃焼工程での第（ｎ＋ａ）周期では、第（ｎ＋ａ）周期の所定波長範囲の測定光の強度変化Ｉ_{（ｎ＋ａ）}（ν）と代表光強度変化Ｉ_０ｍ’（ν）とを用いて、第（ｎ＋ａ）周期の特定ガスの吸収ピークを検出するようにしている。

ここで、「所定周期」とは、測定者等によって決められる任意の時間であり、所定波長範囲の測定光をレーザ素子から発振させるために、例えば数十Ｈｚ〜数十ｋＨｚとなり、１ｋＨｚ等が挙げられる。なお、「ａ」は、自然数であって吸収線がブロードとなる周期である。
また、「所定サイクル」とは、測定者等によって決められる任意の時間であって、１サイクル中には少なくとも３回の周期が実行されることになる。
さらに、「特定ガス」とは、測定者等によって決められる任意の成分であって、例えば酸素や水蒸気や二酸化炭素や一酸化炭素等である。

以上のように、本発明のガス分析装置によれば、吸収曲線がブロードとなって基準線が作成できない状況下でも、直近の吸気工程や圧縮工程のときに算出された基準線を利用することで、特定ガス量情報を正確に算出することができる。また、ノイズに埋もれやすいブロードな吸収曲線であっても、吸収線の面積値Ｄ_ｍｎが温度Ｔに依存し、急激には変化しないことを利用して、吸収線の面積値Ｄ_ｍｎをフィッティングの評価パラメータとして利用できる。

（他の課題を解決するための手段及び効果）
また、上記の発明では、前記代表基準線作成部は、面積値Ｄ_ｍｎ、Ｄ_{ｍ（ｎ＋１）}、・・・と基準面積値Ｄ_ｍ’との差分である面積変化量ΔＤ_ｍｎ、ΔＤ_{ｍ（ｎ＋１）}、・・・を算出し、面積変化量ΔＤ_ｍｎ、ΔＤ_{ｍ（ｎ＋１）}、・・・が閾値以内となる周期で作成された強度変化Ｉ_０ｍｎ（ν）、Ｉ_{０ｍ（ｎ＋１）}（ν）、・・・を平均することにより、代表光強度変化Ｉ_０ｍ’（ν）を作成するようにしてもよい。

ここで、「基準面積値Ｄ_ｍ’」とは、測定者等によって決められる任意のものであり、例えば吸気工程の終了直後の周期ｎの面積値Ｄ_ｍｎ等が挙げられる。

本発明のガス分析装置の一例を示す概略構成図。図１のガス分析装置で得られた吸収スペクトルの一例を示すグラフ。本発明のガス分析装置を用いた計測方法を説明するフローチャート。本発明のガス分析装置の他の一例を示す概略構成図。一般的なガス分析装置で得られた吸収スペクトルの一例を示すグラフ。縦軸を−ｌｏｇ_１０（Ｉ（ν_０）／Ｉ_０（ν_０））とし、横軸を周波数νとしたグラフ。波長可変半導体レーザ吸収分光法によるガス分析装置を示す概略構成図。駆動電流値とレーザ光の発振波長との関係を示す概念図。図７のガス分析装置で得られた吸収スペクトルの一例を示すグラフ。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。なお、本発明は、以下に説明するような実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の態様が含まれることはいうまでもない。

図１は、本発明のガス分析装置の一例を示す概略構成図である。また、図２は、本発明のガス分析装置で得られた吸収スペクトルの一例を示すグラフである。なお、上述した従来のガス分析装置１０１と同様のものについては、同じ符号を付している。
ガス分析装置１は、光源部１０と、受光部２０と、温度Ｔを測定するガス温度センサ３２と、マイコンやＰＣで構成される制御部４０とを備える。

制御部４０は、ＣＰＵ４１とメモリ（データ記憶部）４２とを備える。また、ＣＰＵ４１が処理する機能をブロック化して説明すると、光源部１０を制御するレーザ制御部４１ａと、レーザ光の強度Ｉ_ｎ（ν）を取得する取得部４１ｂと、各周期ｎにおいて非吸収波長のレーザ光の強度Ｉ_ｎ（ν）に基づいて近似式を作成することにより強度変化Ｉ_０ｎ（ν）を作成する基準線作成部４１ｃと、酸素ガスの吸収ピークの面積値Ｄ_ｎを算出する面積値算出部４１ｄと、第ｍサイクルの代表光強度変化Ｉ_０ｍ’（ν）を作成する代表基準線作成部４１ｅと、各周期ｎにおいて式（４）を用いて数密度ｃ_ｎを算出する演算部４１ｆとを有する。さらに、メモリ４２には、面積値Ｄ_ｎを記憶するとともに閾値Ａ（基準面積値の１０％）を記憶するための面積値記憶領域４２ａを有する。

面積値算出部４１ｄは、第ｍサイクルの吸気工程の終了直後の第ｎ周期の所定波長範囲の測定光の強度変化Ｉ_ｍｎ（ν）と強度変化Ｉ_０ｍｎ（ν）とを用いて、第ｎ周期の強度変化Ｉ_ｍｎ（ν）における酸素ガスの吸収ピークを検出し、この酸素ガスの吸収ピークの面積値Ｄ_ｍｎを算出して面積値記憶領域４２ａに記憶させる制御を行う。また、面積値算出部４１ｄは、第ｍサイクルにおいて吸気工程の終了直後の第ｎ周期の面積値Ｄ_ｍｎを基準面積値Ｄ_ｍ’として面積値記憶領域４２ａに記憶させる制御を行う。

具体的には、まず、取得部４１ｂで取得された第ｍサイクルの吸気工程の終了直後の第ｎ周期の所定波長範囲のレーザ光の強度変化Ｉ_ｍｎ（ν）と、基準線作成部４１ｃで作成された強度変化Ｉ_０ｍｎ（ν）とを用いて、第ｍサイクルの第ｎ周期のレーザ光の強度変化Ｉ_ｍｎ（ν）における酸素ガスの吸収ピークを検出し、この酸素ガスの吸収ピークの面積値Ｄ_ｍｎを算出して面積値記憶領域４２ａに記憶させる。そして、第ｍサイクルにおいて吸気工程の終了直後の第ｎ周期の面積値Ｄ_ｍｎを基準面積値Ｄ_ｍ’として面積値記憶領域４２ａに記憶させる。次に、取得部４１ｂで取得された第ｍサイクルの第（ｎ＋１）周期の所定波長範囲のレーザ光の強度変化Ｉ_{ｍ（ｎ＋１）}（ν）と、基準線作成部４１ｃで作成された強度変化Ｉ_{０ｍ（ｎ＋１）}（ν）とを用いて、第ｍサイクルの第（ｎ＋１）周期のレーザ光の強度変化Ｉ_{ｍ（ｎ＋１）}（ν）における酸素ガスの吸収ピークを検出し、この酸素ガスの吸収ピークの面積値Ｄ_{ｍ（ｎ＋１）}を算出して面積値記憶領域４２ａに記憶させる。このようにして面積値Ｄ_ｍｎ、Ｄ_{ｍ（ｎ＋１）}、・・・、Ｄ_{（ｍ＋１）ｎ}、Ｄ_{（ｍ＋１）（ｎ＋１）}、・・・を算出して面積値記憶領域４２ａに記憶させていくとともに、基準面積値Ｄ_ｍ’、Ｄ_{（ｍ＋１）}’、・・・を面積値記憶領域４２ａに記憶させていく。

代表基準線作成部４１ｅは、第ｍサイクルにおいて面積値Ｄ_ｍｎ、Ｄ_{ｍ（ｎ＋１）}、・・・と基準面積値Ｄ_ｍ’との差分である面積変化量ΔＤ_ｍｎ、ΔＤ_{ｍ（ｎ＋１）}、・・・を算出し、面積変化量ΔＤ_ｍｎ、ΔＤ_{ｍ（ｎ＋１）}、・・・、ΔＤ_{ｍ（ｎ＋ａ−１）}が閾値Ａ以内となる周期で作成された強度変化Ｉ_０ｍｎ（ν）、Ｉ_{０ｍ（ｎ＋１）}（ν）、・・・、Ｉ_{０ｍ（ｎ＋ａ−１）}（ν）を平均することにより、代表光強度変化Ｉ_０ｍ’（ν）を作成する制御を行う。
例えば、まず、面積値Ｄ_ｍｎと基準面積値Ｄ_ｍ’との差分である面積変化量ΔＤ_ｍｎを算出して、面積変化量ΔＤ_ｍが閾値Ａ以内であるか否かを判定する。そして、面積変化量ΔＤ_ｍが閾値Ａ以内であると、面積値Ｄ_{ｍ（ｎ＋１）}と基準面積値Ｄ_ｍ’との差分である面積変化量ΔＤ_{ｍ（ｎ＋１）}を算出して、面積変化量ΔＤ_ｍが閾値Ａ以内であるか否かを判定する。このようにして、面積変化量ΔＤ_{ｍ（ｎ＋ａ）}が閾値Ａを超えるまで、面積変化量ΔＤ_ｍｎ、ΔＤ_{ｍ（ｎ＋１）}、・・・を算出する。その後、閾値Ａ以内である面積変化量ΔＤ_ｍｎ、ΔＤ_{ｍ（ｎ＋１）}、・・・、ΔＤ_{ｍ（ｎ＋ａ−１）}となる周期で作成された強度変化Ｉ_０ｍｎ（ν）、Ｉ_{０ｍ（ｎ＋１）}（ν）、・・・、Ｉ_{０ｍ（ｎ＋ａ−１）}（ν）を平均することにより、代表光強度変化Ｉ_０ｍ’（ν）を作成する。

演算部４１ｆは、第ｍサイクルの第（ｎ＋ａ−１）周期までは、第ｎ周期の所定波長範囲のレーザ光の強度変化Ｉ_ｍｎ（ν）と、強度変化Ｉ_０ｍ（ν）とを用いて、第ｎ周期の酸素ガスの吸収ピークを検出し、式（４）を用いて数密度ｃ_ｍｎを得る一方、第ｍサイクルの第（ｎ＋ａ）周期からは、第ｎ周期の所定波長範囲のレーザ光の強度変化Ｉ_ｍｎ（ν）と、代表光強度変化Ｉ_０ｍ’（ν）とを用いて、第ｎ周期の酸素ガスの吸収ピークを検出し、式（４）を用いて数密度ｃ_ｍｎを得る制御を行う。

ここで、ガス分析装置１の使用方法の一例について説明する。図３は、数密度ｃ_ｎを計測する計測方法について説明するためのフローチャートである。
まず、ステップＳ１０１の処理において、サイクルパラメータｍ＝１（サイクル開始）とし、周期回数パラメータｎ＝１（吸気工程開始）とする。

次に、ステップＳ１０２の処理において、レーザ制御部４１ａは、制御信号を光源部１０に出力する。
次に、ステップＳ１０３の処理において、取得部４１ｂは、レーザ光の強度Ｉ_ｍｎ（ν）を取得するとともに、基準線作成部４１ｃは、非吸収波長のレーザ光の強度Ｉ_ｍｎ（ν）に基づいて近似式を作成することにより、強度変化Ｉ_０ｍｎ（ν）を作成する。
次に、ステップＳ１０４の処理において、演算部４１ｆは、第ｎ周期の所定波長範囲のレーザ光の強度変化Ｉ_ｍｎ（ν）と、強度変化Ｉ_０ｍｎ（ν）とを用いて、第ｎ周期の酸素ガスの吸収ピークを検出し、式（４）を用いて数密度ｃ_ｍｎを得る。

次に、ステップＳ１０５の処理において、ｎ＝１１（圧縮工程開始）であるか否かを判定する。ｎ＝１１でないと判定したときには、ステップＳ１０６の処理において、ｎ＝ｎ＋１とした後、ステップＳ１０３の処理に戻る。
一方、ｎ＝１１であると判定したときには、ステップＳ１０７の処理において、取得部４１ｂは、レーザ光の強度Ｉ_ｍｎ（ν）を取得するとともに、基準線作成部４１ｃは、非吸収波長のレーザ光の強度Ｉ_ｍｎ（ν）に基づいて近似式を作成することにより、強度変化Ｉ_０ｍｎ（ν）を作成する。

次に、ステップＳ１０８の処理において、演算部４１ｆは、第ｎ周期の所定波長範囲のレーザ光の強度変化Ｉ_ｍｎ（ν）と、強度変化Ｉ_０ｍｎ（ν）とを用いて、第ｎ周期の酸素ガスの吸収ピークを検出し、式（４）を用いて数密度ｃ_ｍｎを得る。また、面積値算出部４１ｄは、酸素ガスの吸収ピークの面積値Ｄ_ｍｎを算出して面積値記憶領域４２ａに記憶させる。
次に、ステップＳ１０９の処理において、代表基準線作成部４１ｅは、面積値Ｄ_ｍｎと基準面積値Ｄ_ｍ’との差分である面積変化量ΔＤ_ｍｎを算出する。

次に、ステップＳ１１０の処理において、ΔＤ_ｍｎ≦Ａであるか否かを判定する。ΔＤ_ｍｎ≦Ａであると判定したときには、ステップＳ１１１の処理において、ｎ＝ｎ＋１とした後、ステップＳ１０７の処理に戻る。
一方、ΔＤ_ｍｎ≦Ａでないと判定したときには、ステップＳ１１２の処理において、代表基準線作成部４１ｅは、面積変化量ΔＤ_ｍｎ、ΔＤ_{ｍ（ｎ＋１）}、・・・、ΔＤ_{ｍ（ｎ＋ａ−１）}が閾値Ａ以内となる周期で作成された強度変化Ｉ_０ｍｎ（ν）、Ｉ_{０ｍ（ｎ＋１）}（ν）、・・・、Ｉ_{０ｍ（ｎ＋ａ−１）}（ν）を平均することにより、代表光強度変化Ｉ_０ｍｎ’（ν）を作成する。

次に、ステップＳ１１３の処理において、取得部４１ｂは、レーザ光の強度Ｉ_ｍｎ（ν）を取得する。
次に、ステップＳ１１４の処理において、演算部４１ｆは、第ｎ周期の所定波長範囲のレーザ光の強度変化Ｉ_ｍｎ（ν）と、代表光強度変化Ｉ_０ｍ’（ν）とを用いて、第ｎ周期の酸素ガスの吸収ピークを検出し、式（４）を用いて数密度ｃ_ｍｎを得る。

次に、ステップＳ１１５の処理において、ｎ＝３１（排気工程開始）であるか否かを判定する。ｎ＝３１でないと判定したときには、ステップＳ１１６の処理において、ｎ＝ｎ＋１とした後、ステップＳ１１２の処理に戻る。
一方、ｎ＝３１であると判定したときには、ステップＳ１１７の処理において、取得部４１ｂは、レーザ光の強度Ｉ_ｍｎ（ν）を取得するとともに、基準線作成部４１ｃは、非吸収波長のレーザ光の強度Ｉ_ｍｎ（ν）に基づいて近似式を作成することにより、強度変化Ｉ_０ｍｎ（ν）を作成する。

次に、ステップＳ１１８の処理において、演算部４１ｆは、第ｎ周期の所定波長範囲のレーザ光の強度変化Ｉ_ｍｎ（ν）と、強度変化Ｉ_０ｍｎ（ν）とを用いて、第ｎ周期の酸素ガスの吸収ピークを検出し、式（４）を用いて数密度ｃ_ｍｎを得る。
次に、ステップＳ１１９の処理において、ｎ＝４０（排気工程終了）であるか否かを判定する。ｎ＝４０でないと判定したときには、ステップＳ１２０の処理において、ｎ＝ｎ＋１とした後、ステップＳ１１７の処理に戻る。
一方、ｎ＝４０であると判定したときには、ステップＳ１２１の処理において、ｎ＝１、ｍ＝ｍ＋１とした後、ステップＳ１０３の処理に戻る。

以上のように、本発明のガス分析装置１によれば、吸収曲線がブロードとなって基準線が作成できない状況においても、直近の吸気工程や圧縮工程のときに算出された基準線を利用することで、数密度ｃ_ｎを正確に算出することができる。

＜他の実施形態＞
上述したガス分析装置１では、シリンダ５１の側壁には、レンズ（入射用光学窓）３５と、レンズ（入射用光学窓）３５に−Ｘ方向に距離ｌを空けて対向配置されるレンズ（出射用光学窓）３６とが形成されている構成を示したが、これに代えて、シリンダ５１の側壁にレンズ３５が形成され、シリンダ５１の内部には、レンズ３５に−Ｘ方向に距離ｌ／２を空けて対向配置される反射鏡２３６とが形成されているような構成としてもよい。図４は、本発明のガス分析装置１に反射鏡２３６を配置した場合の実施例であるガス分析装置１’を示す概略構成図である。

本発明は、レーザ吸収分光法を利用して気体中の特定ガス量情報を計測するガス分析装置等に利用することができる。

１ガス分析装置
１０光源部
１１レーザ素子
２０受光部
３２ガス温度センサ
４１ａレーザ制御部
４１ｄ面積値算出部
４１ｅ代表基準線作成部
４１ｆ演算部
５０エンジン（内燃機関）

Claims

内燃機関の筒内の測定対象ガスに測定光を照射するレーザ素子を有する光源部と、
前記測定対象ガス中を通過した測定光の強度を受光する受光部と、
所定波長範囲の測定光をレーザ素子から所定周期で発振させるレーザ制御部と、
前記受光部で受光された第ｎ周期の所定波長範囲の測定光の強度変化Ｉ_ｎ（ν）を用いて、特定ガスの吸収を受けなかった場合の第ｎ周期の所定波長範囲の測定光の強度変化Ｉ_０ｎ（ν）を作成し、第ｎ周期の特定ガスの吸収ピークを検出し、前記測定対象ガス中の特定ガス量情報を算出する演算部とを備えるガス分析装置であって、
前記内燃機関は、吸気工程と圧縮工程と燃焼工程と排気工程とをこの順に所定サイクルで実行するものであり、
第ｍサイクルの吸気工程後での各周期の所定波長範囲の測定光の強度変化Ｉ_ｍｎ（ν）、Ｉ_{ｍ（ｎ＋１）}（ν）、・・・における特定ガスの吸収ピークの面積値Ｄ_ｍｎ、Ｄ_{ｍ（ｎ＋１）}、・・・を算出する面積値算出部と、
面積値Ｄ_ｍｎ、Ｄ_{ｍ（ｎ＋１）}、・・・に基づいて、第ｍサイクルの代表光強度変化Ｉ_０ｍ’（ν）を作成する代表基準線作成部とを備え、
前記演算部は、第ｍサイクルの圧縮工程又は燃焼工程での第（ｎ＋ａ）周期では、第（ｎ＋ａ）周期の所定波長範囲の測定光の強度変化Ｉ_{（ｎ＋ａ）}（ν）と代表光強度変化Ｉ_０ｍ’（ν）とを用いて、第（ｎ＋ａ）周期の特定ガスの吸収ピークを検出することを特徴とするガス分析装置。
前記代表基準線作成部は、面積値Ｄ_ｍｎ、Ｄ_{ｍ（ｎ＋１）}、・・・と基準面積値Ｄ_ｍ’との差分である面積変化量ΔＤ_ｍｎ、ΔＤ_{ｍ（ｎ＋１）}、・・・を算出し、面積変化量ΔＤ_ｍｎ、ΔＤ_{ｍ（ｎ＋１）}、・・・が閾値以内となる周期で作成された強度変化Ｉ_０ｍｎ（ν）、Ｉ_{０ｍ（ｎ＋１）}（ν）、・・・を平均することにより、代表光強度変化Ｉ_０ｍ’（ν）を作成することを特徴とする請求項１に記載のガス分析装置。