JP2018091827A - ガス分析装置及びガス分析方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】共存成分である第2ガス成分の濃度が時々刻々変動する場合であっても、第1ガスに対する第2ガスの影響をリアルタイムに補正する。
【解決手段】試料ガスに含まれる第1ガス成分濃度を測定する第1ガス分析部と、前記試料ガスに含まれる第2ガス成分濃度を測定する第2ガス分析部と、第1ガスに対する第2ガスの影響を補正するための補正係数を格納する補正係数格納部41と、第1ガス分析部により得られた第1ガス成分濃度を、補正係数、第1ガス分析部の校正に用いた校正ガスの第2成分濃度、及び第2ガス分析部により得られた第2ガス成分濃度に基づいて補正する濃度補正部43とを具備する。
【選択図】図2

Description

本発明は、ガスの共存影響や干渉影響などの影響を補正す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ものである。
例えば内燃機関の排ガスなどの試料ガスに含まれる測定対象成分の濃度を測定するガス分析装置としては、赤外吸収法を用いたものがある。
この赤外吸収法を用いて測定対象成分(例えば一酸化炭素(CO))の濃度を測定する場合には、前記測定対象成分とともに試料ガスに共存する他のガス成分(例えば二酸化炭素(CO))が共存影響を与えてしまうことが知られている。
この共存影響は、測定対象成分の赤外線の吸収スペクトルが、共存成分の分子間相互作用によって波数がシフトして、その線幅が広がることにより、ブロードな形に変化してしまうこと(ブロードニング現象)から生じると考えられている。
従来、この共存影響を除去するガス分析装置としては、特許文献1に示すガス分析装置がある。このガス分析装置は、校正時に、実サンプルにおける共存成分の平均濃度を用いて感度調整係数を決定して校正している。
しかしながら、このガス分析装置では、校正時に、実サンプルにおける共存成分の平均濃度を用いて感度調整係数を決定して校正しているので、校正時と共存成分濃度が異なるガスを測定する場合には、共存影響による誤差が生じてしまう。また、共存成分濃度が時々刻々変化する測定においても、正確に共存成分の共存影響を排除することができない。
特開2000−356589号公報
そこで本発明は、上述した課題を解決すべくなされたものであり、共存成分である第2ガス成分の濃度が変動する場合であっても、第1ガス成分に対する第2ガス成分の影響をリアルタイムに精度良く補正することをその主たる課題とするものである。
すなわち本発明に係るガス分析装置は、試料ガスに含まれる第1ガス成分濃度を測定する第1ガス分析部と、前記試料ガスに含まれる第2ガス成分濃度を測定する第2ガス分析部と、前記第1ガスに対する前記第2ガスの影響を補正するための補正係数を格納する補正係数格納部と、前記第1ガス分析部により得られた第1ガス成分濃度を、前記補正係数、第1ガス分析部の校正に用いた校正ガスの第2ガス成分濃度、及び前記第2ガス分析部により得られた第2ガス成分濃度に基づいて補正する濃度補正部とを具備することを特徴とする。
また、本発明に係るガス分析方法は、試料ガスに含まれる第1ガス成分濃度を測定する第1ガス分析部と、前記試料ガスに含まれる第2ガス成分濃度を測定する第2ガス分析部とを用いたガス分析方法であって、前記第1ガス分析部により得られた第1ガス成分濃度を、前記第1ガスに対する前記第2ガスの影響を補正するための補正係数、第1ガス分析部の校正に用いた校正ガスの第2ガス成分濃度、及び前記第2ガス分析部により得られた第2ガス成分濃度に基づいて補正することを特徴とする。
このようなものであれば、第1ガス分析部により得られた第1ガス成分濃度を、補正係数と、第1ガス分析部の校正に用いた校正ガスの第2ガス成分濃度と、第2ガス分析部により得られた第2ガス成分濃度とに基づいて補正するので、共存成分である第2ガス成分の濃度が変動する場合であっても、第1ガス成分に対する第2ガス成分の影響をリアルタイムに精度よく補正することができる。また、第1ガス分析部の校正ガスとして、少なくとも第1ガス成分及び第2ガス成分を含む混合ガスを用いた場合であっても、第1ガス成分に対する第2ガス成分の影響をリアルタイムに精度よく補正することができる。
ガス分析装置における補正の具体的な実施の態様としては、前記濃度補正部は、前記第1ガス成分濃度を、前記補正係数と、前記校正ガスの第2ガス成分濃度及び前記第2ガス分析部により得られた第2ガス成分濃度の差とに基づいて補正するものであることが考えられる。
ガス分析装置における補正の具体的な実施の態様としては、ガス分析装置が前記第1ガス分析部の校正に用いた校正ガスの第2ガス成分濃度に基づいて、前記補正係数を変更する補正係数変更部をさらに備え、前記濃度補正部は、前記第1ガス分析部により得られた第1ガス成分濃度を、前記補正係数変更部により変更された変更後の補正係数及び前記第2ガス分析部により得られた第2ガス成分濃度を用いて補正することが望ましい。
前記補正係数は、第2ガス成分濃度と当該第2ガス成分濃度における第1ガス成分濃度の相対誤差との関係を示すものであり、前記補正係数変更部は、前記補正係数において前記第1ガス成分濃度の相対誤差がゼロとなる第2ガス成分濃度と、前記第1ガス分析部の校正に用いた校正ガスの第2ガス成分濃度との差に基づいて前記補正係数を変更することが望ましい。
補正係数変更部の具体的な変更方法としては、前記補正係数変更部は、前記第1ガス成分濃度の相対誤差がゼロとなる第2ガス成分濃度が前記校正ガスの第2ガス成分濃度となるように、前記補正係数をシフトさせることが考えられる。
前記第1ガス分析部及び前記第2ガス分析部は、NDIR法を用いた検出器を有することが望ましい。特に、第1ガス分析部及び第2ガス分析部が、単一セルを有する1つのNDIR検出器により構成される場合には、セル長が特定されるため使用できる波長が制限されて共存影響などの影響を受けやすい。このような構成の場合において、本が発明の効果が顕著となる。
試料ガスにおける測定対象成分が、一酸化炭素(CO)及び二酸化炭素(CO)の場合には、一酸化炭素(CO)に対する二酸化炭素(CO)の共存影響が測定誤差になる。この場合、前記第1ガス成分が一酸化炭素(CO)であり、前記第2ガス成分が二酸化炭素(CO)である。
このように構成した本発明によれば、共存成分である第2ガス成分の濃度が時々刻々変動する場合であっても、第1ガス成分に対する第2ガス成分の影響をリアルタイムに補正することができる。
本実施形態に係るガス分析装置の構成を示す模式図である。 同実施形態の演算装置の機能構成図である。 同実施形態の変更前後の補正係数である関係式を示す図である。 同実施形態の補正前後のCO濃度の相対誤差を示す図である。
以下に本発明に係るガス分析装置の一実施形態について図面を参照して説明する。
<装置構成>
本実施形態のガス分析装置100は、例えばエンジンなどの排ガス源から排出される排ガスに含まれる複数のガス成分を分析するものである。本実施形態では、エンジン排ガスに含まれる第1ガス成分である一酸化炭素(CO)及び第2ガス成分である二酸化炭素(CO)を含む多成分ガスを同時に測定する非分散赤外吸収法(NDIR法)を用いたものである。ガス分析装置100は、多成分ガスを同時に測定するものでなくても良いし、NDIR法以外の例えばFTIR法等の光吸収法を用いたものであっても良い。
なお、第2ガス成分であるCOは、NDIR法において、第1ガス成分であるCOに対して共存影響を与える。つまり、第1ガス成分であるCOの赤外線の吸収スペクトルは、COの分子間相互作用によって波数がシフトして、その吸収スペクトルにブロードニングが生じる。
具体的にこのガス分析装置100は、図1に示すように、エンジン排ガスに含まれるCO濃度を連続測定する第1ガス分析部2と、エンジン排ガスに含まれるCO濃度を連続測定する第2ガス分析部3と、各分析部2、3からの出力を取得してエンジン排ガスに含まれるCO濃度及びCO濃度を算出する演算装置4とを備えている。
第1ガス分析部2及び第2ガス分析部3は、NDIR検出器を有するものであり、共通の単一セルを用いて構成されている。具体的にこれらの分析部2、3は、エンジン排ガスが導入・導出される測定セル10と、当該測定セル10に赤外光を照射する例えば赤外光源などの赤外線照射部11と、測定セル10を通過した赤外線を検出する赤外線検出器12とを備えている。
本実施形態の赤外線検出器12は、集電型赤外検出器であり、CO測定用の検出器12a及びCO測定用の検出器12bを有している。その他、炭化水素(HC)測定用の検出器12c及び比較信号用の検出器12dも備えている。各検出器12a〜12dと測定セル10との間には、光学フィルタ13a〜13dが設けられており、各光学フィルタ13a〜13dはそれぞれ透過特性が異なり、CO、CO、HCの吸収波長、及び、それらの吸収の無い参照用波長に対応している。なお、赤外線検出器12としては、集電型赤外検出器の他に、ニューマチックセル型赤外検出器、セレン化鉛を用いた検出器又はサーモパイル型検出器などを用いることができる。
演算装置4は、CPU、メモリ、入出力インターフェイス、AD変換器等を備えた専用乃至汎用のコンピュータであり、メモリに格納された分析プログラムに従って、CO濃度、CO濃度及びHC濃度を算出するものである。
具体的に演算装置4は、第1ガス分析部2及び第2ガス分析部3を構成する赤外線検出器12からの出力信号(光強度信号)を取得して、各検出器12a〜12dの光強度信号から得られた吸収スペクトルを用いて、CO濃度、CO濃度及びHC濃度を算出するものである。
然して、この演算装置4は、第1ガス成分であるCOに対する第2ガス成分であるCOの共存影響を補正する機能を有しており、メモリに格納された分析プログラムに従って、図2に示すように、濃度算出部40、補正係数格納部41、補正係数変更部42及び濃度補正部43等の機能を発揮する。
濃度算出部40は、各検出器12a〜12dの光強度信号から得られた吸収スペクトルを用いて、CO濃度、CO濃度及びHC濃度を算出するものである。
補正係数格納部41は、第1ガス成分に対する第2ガス成分の共存影響を補正するための補正係数を格納するものである。この補正係数を示す補正係数データは、製品出荷前や製品稼働前に予め補正係数格納部41に入力される。
ここで、補正係数とは、図3に示すように、CO濃度と、当該CO濃度におけるCO濃度の相対誤差との関係を示すものである。補正係数の保存形式としては、前記関係を示す関数形式であっても良いし、ルックアップテーブル等の表形式であっても良い。
また、CO濃度におけるCO濃度の相対誤差とは、下記の式で示されるように、COの共存影響がない場合のCO濃度(正確な値)に対する誤差の割合である。当該誤差は、COの共存影響がない場合のCO濃度とCOの共存影響がある場合のCO濃度との差で表される。
相対誤差=(「CO濃度_共存影響あり」−「CO濃度_共存影響なし」)/「CO濃度_共存影響なし」×100%
補正係数変更部42は、第1ガス分析部2の校正に用いた校正ガスの第2ガス成分濃度に基づいて、補正係数を変更するものである。なお、本実施形態の第1ガス分析部2を含む赤外線検出器12は、濃度既知のCOと濃度既知のCOとの混合ガスを校正ガスとして用いて校正される。また、第1ガス分析部2の校正に用いた校正ガスの第2ガス成分濃度のデータは、補正係数格納部41又はその他のデータ格納部に格納されている。
例えば、補正係数が、CO濃度がゼロの場合にCO濃度の相対誤差がゼロとなるものの場合、補正係数変更部42は、第1ガス分析部2の校正に用いた校正ガスのCO濃度をパラメータとして、以下のようにして補正係数を変更する。
第1ガス分析部2の校正に濃度既知のCOと濃度既知(例えば10%vol)のCOとの混合ガスを校正ガスとして用いた場合には、COの既知濃度(10%vol)において、相対誤差がゼロとなるように校正される。このため、補正係数変更部42は、補正係数においてCO濃度の相対誤差がゼロとなるCO濃度(0%vol)と、第1ガス分析部2の校正に用いた校正ガスのCO濃度(10%vol)との差に基づいて補正係数を変更する。つまり、補正係数変更部42は、校正に用いた校正ガスのCO濃度において、CO濃度の相対誤差がゼロとなるように補正係数をシフトさせて変更する(図3参照)。なお、補正係数を変更するのに用いる相対誤差がゼロとなるCO濃度(0%vol)は、相対誤差が所定範囲内にあるCO濃度(0%vol)であっても良い。この所定範囲は、ユーザが選択する値である。
例えば、変更前の補正係数において、CO濃度が0%volにおいてCOの相対誤差が0%であり、CO濃度が10%volにおいてCOの相対誤差が2.65%であった場合、変更後の補正係数においては、CO濃度が0%volにおいてCOの相対誤差が−2.65%であり、CO濃度が10%volにおいてCOの相対誤差が0%となる。
濃度補正部43は、第1ガス分析部2からの光強度信号を用いて濃度算出部40により算出されたCO濃度を、補正係数変更部42により変更された変更後の補正係数と、第2ガス分析部3からの光強度信号を用いて濃度算出部40により算出されたCO濃度とを用いて補正するものである。
具体的に演算装置4は、補正係数変更部42及び濃度補正部43の機能に基づいて、以下の式により、CO濃度を補正する。
C(CO)_corr=C(CO)/(1+f(C(CO)))
ここで、f(C(CO))は、CO濃度の相対誤差を示す関数(補正後の補正係数)であり、
f(C(CO))=K×C(CO)×C(CO)+K×C(CO)−{K×C(CO_span)×C(CO_span)+K×C(CO_span)}
C(CO)_corr:補正後の実測時のCO濃度[%vol]
C(CO):補正前の実測時のCO濃度[%vol]
C(CO):実測時のCO濃度[%vol]
C(CO_span):CO計をスパン校正したときの共存CO濃度[%vol]
、K:実験により求まる係数(本実施形態では、CO濃度とCO濃度の相対誤差との関係を二次曲線に近似した場合の係数である。)
図4に、CO濃度が14%volの混合ガスを校正ガスとして用いてNDIR検出器のスパン校正をした場合における補正前後のCO濃度の相対誤差を示す。
図4から分かるように、本実施形態の共存影響補正を行うことによって、補正後のCO濃度の相対誤差が±1%の範囲に収まるように補正されていることがわかる。
<本実施形態の効果>
このように構成された本実施形態に係るガス分析装置100によれば、第1ガス分析部2により得られたCO濃度を、補正係数変更部42により変更された変更後の補正係数と、第2ガス分析部3により得られた実測時のCO濃度とに基づいて補正するので、共存成分であるCOの濃度が変動する場合であっても、COに対するCOの共存影響をリアルタイムに精度よく補正することができる。なお、赤外線検出器12を用いた場合において、COの吸収スペクトルとCOの吸収スペクトルとが重畳することによって生じる干渉影響も考えられるが、この干渉影響は、上述した共存影響に比べて小さい。CO濃度をより一層精度よく測定するためには、本実施形態に加えて、COに対するCOの干渉影響をさらに補正するようにしてもよい。干渉影響補正についても、補正係数格納部41に干渉影響補正用の補正係数を格納することで、共存影響と同様の方法を用いて補正することができる。
<その他の実施形態>
なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。
例えば、前記実施形態では、演算装置4が補正係数変更部42を有しており、当該補正係数変更部42によって補正係数を変更するものであったが、補正係数を変更することなく、濃度補正部43が、補正係数の第1ガス成分濃度の相対誤差がゼロとなる第2ガス成分濃度と、第1ガス分析部2の校正に用いた校正ガスの第2ガス成分濃度との差をパラメータとして、第1ガス成分濃度を補正しても良い。つまり、濃度補正部43において、第1ガス分析部2により得られた第1ガス成分濃度を、変更されていない補正係数と第2ガス分析部3により得られた第2ガス成分濃度に基づいて補正し、その補正後の第1ガス成分濃度を、補正係数の第1ガス成分濃度の相対誤差がゼロとなる第2ガス成分濃度と、第1ガス分析部2の校正に用いた校正ガスの第2ガス成分濃度との差に基づいて更に補正するようにしても良い。
例えば、第1ガス分析部2により得られた第1ガス成分濃度が5%volであり、第2ガス分析部3により得られた第2ガス成分濃度が6%volであった場合には、濃度補正部43は、補正係数(例えば前記実施形態の変更前の補正係数)を用いて、相対誤差を求める。この場合、相対誤差は、約+2%である。そして、濃度補正部は、この相対誤差(約2%)を用いて、第1ガス成分濃度(5%vol)を補正する。その後、濃度補正部43は、補正後の第1ガス成分濃度(約4.9%vol)を、補正係数の第1ガス成分濃度の相対誤差がゼロとなる第2ガス成分濃度(0%vol)と、第1ガス分析部2の校正に用いた校正ガスの第2ガス成分濃度(例えば10%vol)との差(10%vol)に基づき補正係数をシフトした場合の相対誤差の変化分(シフト量:−2.65%)を用いて、補正後の第1ガス成分濃度(約4.9%)を更に補正する。この場合、更に補正した補正後の第1ガス成分濃度は、約5.37%volとなる。
また、前記実施形態では、エンジン排ガスを分析するものであったが、その他、環境ガスなどの試料ガスを分析するものであっても良い。
さらに、前記実施形態では、第1ガス分析部2及び第2ガス分析部3が単一セルを用いて構成されているが、第1ガス分析部2及び第2ガス分析部3それぞれを単成分計として構成しても良い。
その上、前記実施形態では、2成分(CO、CO)についてCOに対するCOの共存影響を補正するものであったが、COに対するCOの共存影響を補正するものであっても良いし、その他の2成分(例えばCO、HO、HC、NO、SO等から選ばれる2成分)についての共存影響を補正するものであっても良いし、3成分以上(CO、CO、HO、HC、NO、SO等から選ばれる3成分以上)についての共存影響を補正するものであっても良い。
加えて、前記実施形態の補正係数は、CO濃度が0%volにおいてCOの相対誤差が0%となるものであったが、その他のCO濃度においてCOの相対誤差が0%となるものであっても良い。
さらに加えて、補正係数変更部により変更した補正後の補正係数を求めることなく、補正係数格納部41に、校正ガスの第2ガス成分濃度に基づいて予めシフトした補正係数を格納しておき、濃度補正部が当該補正係数格納部41に格納された変更後の補正係数を用いるものであっても良い。
前記ガス分析装置を車両に搭載されて走行中の車両の排気管から排出される排ガスを分析する車両搭載型のものとしてもよい。この車両搭載型のガス分析装置においても濃度既知のCO、CO、プロパン等の混合ガスを校正ガスとして用いて校正される。また、ガス分析装置が水分計を有しており、当該水分計により得られたHO濃度を用いてCO濃度やCO濃度を補正するようにしてもよい。
前記実施形態では、COに対するCOの共存影響を補正するものであったが、共存影響補正の代わりに、干渉影響を補正するものであってもよい。干渉影響補正についても、補正係数格納部41に干渉影響補正用の補正係数を格納することで、共存影響と同様の方法を用いて補正することができる。
その他、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。
100・・・ガス分析装置
2 ・・・第1ガス分析部
3 ・・・第2ガス分析部
4 ・・・演算装置
41 ・・・補正係数格納部
42 ・・・補正係数変更部
43 ・・・濃度補正部

Claims (8)

  1. 試料ガスに含まれる第1ガス成分濃度を測定する第1ガス分析部と、
    前記試料ガスに含まれる第2ガス成分濃度を測定する第2ガス分析部と、
    前記第1ガスに対する前記第2ガスの影響を補正するための補正係数を格納する補正係数格納部と、
    前記第1ガス分析部により得られた第1ガス成分濃度を、前記補正係数、第1ガス分析部の校正に用いた校正ガスの第2ガス成分濃度、及び前記第2ガス分析部により得られた第2ガス成分濃度に基づいて決定される値で補正する濃度補正部と、を具備するガス分析装置。
  2. 前記濃度補正部は、前記第1ガス成分濃度を、前記補正係数と、前記校正ガスの第2ガス成分濃度及び前記第2ガス分析部により得られた第2ガス成分濃度の差とに基づいて補正するものである、請求項1記載のガス分析装置。
  3. 前記補正係数は、第2ガス成分濃度と当該第2ガス成分濃度における第1ガス成分濃度の相対誤差との関係を示すものであり、
    前記第1ガス成分濃度の相対誤差がゼロとなる第2ガス成分濃度が前記校正ガスの第2ガス成分濃度となるように、前記補正係数をシフトさせて変更する補正係数変更部をさらに備え、
    前記濃度補正部は、前記第1ガス分析部により得られた第1ガス成分濃度を、前記補正係数変更部により変更された変更後の補正係数及び前記第2ガス分析部により得られた第2ガス成分濃度を用いて補正する、請求項1又は2記載のガス分析装置。
  4. 前記第1ガス分析部は、少なくとも前記第1ガス成分及び前記第2ガス成分を含む混合ガスを用いて校正される、請求項1乃至3の何れか一項に記載のガス分析装置。
  5. 前記第1ガス分析部及び前記第2ガス分析部は、NDIR法を用いた検出器を有する、請求項1乃至4の何れか一項に記載のガス分析装置。
  6. 前記第1ガス成分又は前記第2ガス成分の一方が一酸化炭素(CO)であり、
    前記第1ガス成分又は前記第2ガス成分の他方が二酸化炭素(CO)である、請求項1乃至5の何れか一項に記載のガス分析装置。
  7. 前記試料ガスは、内燃機関から排出される排ガスである、請求項1乃至6の何れか一項に記載のガス分析装置。
  8. 試料ガスに含まれる第1ガス成分濃度を測定する第1ガス分析部と、前記試料ガスに含まれる第2ガス成分濃度を測定する第2ガス分析部とを用いたガス分析方法であって、
    前記第1ガス分析部により得られた第1ガス成分濃度を、前記第1ガスに対する前記第2ガスの影響を補正するための補正係数と、第1ガス分析部の校正に用いた校正ガスの第2ガス成分濃度と、前記第2ガス分析部により得られた第2ガス成分濃度とに基づいて補正するガス分析方法。
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