JP3726691B2

JP3726691B2 - 赤外線ガス分析装置

Info

Publication number: JP3726691B2
Application number: JP2001067451A
Authority: JP
Inventors: 基正飯塚; 修菱沼; 郁男渡辺; 慎一大沢; 豊一梅花
Original assignee: Nippon Soken Inc
Current assignee: Soken Inc
Priority date: 2001-03-09
Filing date: 2001-03-09
Publication date: 2005-12-14
Anticipated expiration: 2021-03-09
Also published as: JP2002267596A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、各種排気ガスや大気中に含まれるガスの成分を測定するための赤外線ガス分析装置に関し、特に内燃機関の燃焼室の排ガスのＣＯ₂等の濃度の測定に好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、試料ガス中に含まれる特定成分（ＣＯ，ＣＯ₂等）の濃度を検出する方法として、赤外線が試料ガス中を通過した際の吸収量を測定する方法がある。この方法は、試料ガスを充填し赤外線を通過させる容積部（以下、分析セルと称す）の圧力および温度の影響で試料ガスの濃度が変化し測定精度が悪化することが知られており、従来技術では圧力および温度の変化の小さい場所から試料ガスを吸引するか、圧力および温度を別の容器または配管中で安定させてから試料ガスを分析セルに吸入する方法が、一般に用いられている。
また、特開平６−２４９７７９号公報に開示されたガス分析計のように、試料ガスの圧力と温度を測定し、検出した特性成分の濃度を補正することにより、温度や圧力の変化による濃度測定値への影響を除去し、高精度な測定を可能とする等の方法が、公知である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来技術では、試料ガスの圧力、温度変化が極めて短時間に発生し、かつその変化量が大きく、高圧、高温であり、更に試料ガスの濃度も短時間で変化する、例えば内燃機関における圧縮・燃焼行程中の燃焼室のガスの分析等においては、従来の試料ガスの圧力と温度を安定させてから試料ガスを吸入して分析を行う方法を採用した場合、応答性が数百msのオーダーしか確保できないため、数msのオーダーで変化する試料ガスの濃度変化を検出することはできない。仮に圧力および温度を測定し、それらより検出濃度を補正しても、装置の構成上必ず発生する試料ガスの検出遅れ等を考慮し、かつ圧力および温度が短期間で大きく変化する状況下で、試料ガス濃度の検出精度を確保することは極めて困難である。
【０００４】
本発明は、上記問題に鑑みなされたものであり、その目的は、高圧、高温で、かつ圧力・温度・試料ガス濃度が不安定な状態にある試料ガスを数msのオーダーの応答性で検出し、かつ測定部位内の圧力および温度の変化を極力分析セルに伝えないようにして、高精度の検出を行うことが可能な赤外線ガス分析装置を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記課題を解決するための手段として、特許請求の範囲の各請求項に記載された赤外線ガス分析装置を提供する。
請求項１に記載の赤外線ガス分析装置は、分析セルの試料ガスの出口を大気開放とし、大気圧より高い圧力の試料ガスを測定部位から分析セルに自然吸入すると共に、分析セルに試料ガスを導入する入口の口径ａと分析セルから試料ガスを排出する出口の口径ｂとにおいて、出口側の口径ｂを入口側の口径ａよりも大きくしたものであり、これにより分析セル内の試料ガスの置換を良くし、数msのオーダーの応答性で試料ガスを検出可能とし、且つ分析セル内での試料ガスの抜けをよくすることができ、試料ガスの圧力変動を抑制できるようにしている。
【０００６】
請求項２の赤外線ガス分析装置は、分析セルからの試料ガスの出口側の口径ｂをその入口側の口径ａの３倍以上と規定したものであり、これにより、試料ガスの圧力変動は効果的に抑制できる。
【０００７】
請求項３の赤外線ガス分析装置は、測定部位から分析セルの入口までをつなぐ配管と分析セルとを一定の温度に保つ温調手段を設けたものであり、これにより、分析セル内での試料ガス温度を一定に保つことができる。
このように、請求項１〜３の手段を採用することで、試料ガスの圧力変動及び温度変化を分析セルに極力伝えない構造とすることができ、圧力及び温度が不安定な試料ガスが分析セルに導入されることによる精度悪化が防止でき、内燃機関における燃焼室内のガスのような試料ガスの圧力変動・温度変化が極めて短時間で大きい状況下でも、高精度なガス分析を実現できる。
【０００８】
請求項４の赤外線ガス分析装置は、測定部位の試料ガスの導入部から分析セルの入口までをつなぐ配管の内径ｄを、０．４〜１mmに規定したものであり、これにより、高い応答性を確保できるようにしている。
請求項５の赤外線ガス分析装置は、測定部位と分析セルとをつなぐ配管の長さｌが、その内径ｄの５００倍以上であることを規定したものであり、試料ガスの温度変化を１％以下に抑えることができ、分析セル内の温度を一定に保つ上で好適である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態の赤外線ガス分析装置について図面に従って説明する。図１は、本発明の赤外線ガス分析装置の全体構成を示しており、この赤外線ガス分析装置を、例えば内燃機関の圧縮燃焼行程の試料ガスの濃度を検出する場合に適用した１つの実施例を示している。測定部位である内燃機関の燃焼室１４から試料ガスは、配管１を通って分析セル２に導入される。分析セル２は、試料ガスを充填する分析部２１と、配管１からの試料ガスを分析部２１へと導通する入口２２と、分析部２１からの試料ガスを大気に排出する出口２３とを有している。
【００１０】
分析セル２の片側には、赤外光を発生する光源３が配置され、他方の側には、特定波長の光量を検出する検出手段が設けられている。この検出手段は、一定波長帯の赤外光を透過する光学フィルタ８と、この光学フィルタより透過した赤外光を受光し、その吸収量を検出する赤外線センサ９とよりなる。光源３と分析セル２との間には、光源３で発生した赤外光を分析セル２へ集光する集光レンズ４と、赤外光の透過・遮断を一定間隔で繰り返して断続光を発生させるチョッパー６とが配置されている。チョッパー６は、円周上にスリット６１をもつ円盤であり、モータ５により回転することで、集光レンズ４で集光した赤外光の透過・遮断を一定間隔で繰り返して断続光を発生する。
【００１１】
分析セル２は、その両側端部に分析部２１を形成するためにガラス１０が配置されている。ガラス１０は分析部２１に赤外線を透過する。このガラス１０は、分析成分の吸収波長域で減衰の小さい材質から成っている。
分析セル２と検出手段との間には、更に集光レンズ７が配置されている。したがって、チョッパー６、分析部２１及びガラス１０を介して透過してきた赤外光は、集光レンズ７で集光されて検出手段で受光する。
【００１２】
測定部位であり燃焼室１４の導入部と分析セル２の入口とをつなぐ配管１及び分析セル２の外側には、温調手段としてのヒータ１１が設けられる。このヒータ１１は、分析セル２に設けられた熱電対１２で測定した温度にしたがって、分析セル２および配管１内部の温度を一定に保つように、温調回路１３でヒータ１１の電源をオン・オフ制御される。
【００１３】
上述のように構成された赤外線ガス分析装置は、以下のようにしてガス濃度を計測する。機関の燃焼室１４内の試料ガスは、圧縮・燃焼行程では高圧であるため、配管１を通って導入され、分析セル２の分析部２１を通り、大気へと排出される。試料ガスの濃度検出は、光源３、集光レンズ４、チョッパー６を介して分析セル２に導かれた赤外光が分析部２１を通過した際に、赤外光が分析したい成分によって特定の波長帯域が減衰することを利用することによって行われる。光学フィルタ８は一定波長帯域の赤外光のみを透過するものを用い、赤外線センサ９で検出した光量の減少によってガス濃度を計測する。
【００１４】
図２は、試料ガスとしてＣＯ₂を用いた時の赤外線センサ９での検出出力とＣＯ₂ 濃度との関係を示すグラフである。この場合、光学フィルタ８として４．３±０．１μｍの波長帯域の赤外光を透過するものと用いている。図２に示すように、ＣＯ₂ 濃度は、赤外線センサ９の出力と相関があり、出力の減少によってＣＯ₂ 濃度を得ることができる。
【００１５】
図３は、本発明の実施の形態の赤外線ガス分析装置の分析セル２及び配管１を更に詳しく説明するための部分拡大図である。図３に示されるように、測定部位（燃焼室）１４から分析セル２へ試料ガスを吸入する経路内で断面積が最小となる部位の口径は、分析セル２の入口２２の径ａであり、分析セル２から試料ガスを排出する経路内で断面積が最小となる部位の口径は、分析セル２の出口２３の径ｂである。また、分析セル２の分析部２１の内径をｃとすると、ａ，ｂ，ｃ間には、ａ＜ｂ＜ｃの関係がある。
【００１６】
図４は、（１）分析セルの出口径／入口径の比を１；即ちｂ／ａ＝１、とした場合と、（２）分析セルの出口径／入口径の比を３．５、即ちｂ／ａ＝３．５、とした場合における測定部位の圧力と分析部２１の圧力及び分析成分としてＣＯ₂を検出したときのＣＯ₂濃度との関係を示すグラフである。この場合、測定部位から入力されるＣＯ₂濃度は９．９％の一定濃度のガスを使用している。図４（１）のグラフから、分析セルの出口径ｂと分析セルの入口径ａとがｂ／ａ＝１の関係（即ち、ａ，ｂが同口径）にある場合、入力される測定部位の圧力が高くなると分析セル２の分析部２１の圧力が上昇し、試料ガスは一定濃度であるにもかかわらず検出したＣＯ₂濃度が変化する。この検出濃度の変化をなくすには、分析部２１内の圧力上昇を抑制すれば良く、その方法は、図４（２）に示されるように、分析セルの出口径ｂを分析セルの入口径ａより大きくすることによって実現でき、分析部の急激な圧力上昇を抑制でき、検出濃度の変化を抑えることができる。即ち、ｂ／ａ＝３．５とした場合、測定部位の圧力が高くなっても分析部の圧力はほとんど変らない。
【００１７】
図５は、分析セルの出口径ｂと分析セルの入口径ａの比（ｂ／ａ）と測定部位の圧力を０から０．９MPa まで変化させたときの検出濃度の変化率との関係を示すグラフである。図５のグラフから見られるように、分析セルの出口径ｂを分析セルの入口径ａの３倍以上とすることで圧力の影響による検出濃度の変化を抑えることができる。
【００１８】
また、図３に示される測定部位から分析セル２の入口までをつなぐ配管１の内径ｄ及びその長さｌは、応答性と分析部２１の温度を一定に保つ上で好適な寸法が存在する。これらの関係が図６と図７に示されている。図６は、配管１の内径ｄと分析成分としてＣＯ₂ を用い、ＣＯ₂ 濃度を０％から９．９％へと変化させたときの１０％−９０％の応答性との関係を示すグラフである。図６から、配管１の内径ｄを小さくすると管内の壁面抵抗が大きくなり、流量低下が大きいため応答性が低下し、変曲点である配管内径ｄは、０．４mmであり、配管内径ｄを０．４mm以上とすることで高い応答性を確保することができることが解る。また、配管内径ｄが大きいと精度悪化の要因になるデッドボリュームが増大するため、極力小さい方が良い。図６においては、配管内径ｄが１mm以上ではほとんど応答性は向上しないことから、配管１の内径ｄは、０．４〜１mmが好適である。
【００１９】
図７は、配管１の内径ｄ、長さｌと、温調制御の設定温度と分析部２１の温度との温度差の関係を示すグラフである。この場合、温調制御の設定温度は、６０℃（３３３Ｋ）である。図７から、温度変化を１％以下の３℃以下に抑えることのできる配管長さｌは、配管内径ｄが０．４mmのとき配管長さｌは２００mmで、配管内径ｄが１mmのとき配管長さｌは５００mmである。従って、この関係を配管長さｌと配管内径ｄの比（ｌ／ｄ）で表すと、ｌ／ｄ≧５００が好適である。
なお、本発明は、内燃機関の燃焼室内におけるガス分析を例にとって説明しているが、試料ガスの圧力変動・温度変化が極めて短時間で、かつ大きい他の機器のガス分析にも利用可能なものである。
【００２０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の赤外線ガス分析装置によれば、大気圧より高い圧力の試料ガスを直接分析セルに自然吸入する構成とすることによって、分析セル内の試料ガスの置換を良くすることができ、数msのオーダーの応答性で試料ガスを検出することができ、また、圧力および温度が不安定な試料ガスが分析セルに導入されることによる精度悪化については、試料ガスの圧力変動・温度変化を分析セルに極力伝えない構造とすることで、これを防止し、更に測定部位と分析セルとをつなぐ配管を応答性を確保し、分析セル内の温度を一定に保つ形状とすることによって、内燃機関における燃焼室内のガスのような試料ガスの圧力変動・温度変化が極めて短時間で大きい状況下でも高精度なガス分析を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の赤外線ガス分析装置の全体構成を説明する図である。
【図２】赤外線センサの検出出力とＣＯ₂濃度との関係を示すグラフである。
【図３】図１中の分析セル及び配管を詳細に示す部分拡大図である。
【図４】（１）分析セル出口径ｂ／入口径ａの比が１の場合と、（２）分析セル出口径ｂ／入口径ａの比が３．５の場合における、測定部位の圧力と分析部の圧力および検出ＣＯ₂濃度との関係を示すグラフである。
【図５】測定部位の圧力を変化させたときの分析セル出口径ｂと分析セル入口径ａの比（ｂ／ａ）とＣＯ₂の検出濃度の変化率との関係を示すグラフである。
【図６】ＣＯ₂ 濃度を０％から９．９％へと変化させたときの、配管内径ｄと１０％−９０％応答性の関係を示すグラフである。
【図７】配管の内径ｄ、長さｌと、温調制御の設定温度と分析部の温度との温度差の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１…配管
２…分析セル
３…光源
４，７…集光レンズ
５…モータ
６…チョッパー
８…光学フィルタ
９…赤外線センサ
１０…ガラス
１１…ヒータ
１２…熱電対

Claims

試料ガスが連続的に流れる分析セルの片側に赤外線光源が、他方の側に特定波長の光量を検出する検出手段を備えた赤外線ガス分析装置において、
前記分析セルの試料ガスの出口を大気開放とし、大気圧より高い圧力の試料ガスを測定部位から前記分析セルに自然吸入すると共に、前記分析セルから試料ガスを排出する経路内で断面積が最小となる部位の口径ｂを、測定部位から前記分析セル内へ試料ガスを吸入する経路内で断面積が最小となる部位の口径ａよりも大きくすることを特徴とする赤外線ガス分析装置。
前記分析セルから試料ガスを排出する経路内で断面積が最小となる部位の口径ｂを、前記測定部位から前記分析セルへ試料ガスを吸入する経路内で断面積が最小となる部位の口径ａの３倍以上とすることを特徴とする請求項１に記載の赤外線ガス分析装置。
前記測定部位から前記分析セルの入口までをつなぐ配管および前記分析セルを一定の温度に保つ温調手段を設けることを特徴とする請求項１又は２に記載の赤外線ガス分析装置。
前記測定部位の試料ガスの導入部から前記分析セルの入口までをつなぐ配管が、その内径ｄが０．４〜１mmであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の赤外線ガス分析装置。
前記測定部位の試料ガスの導入部から前記分析セルの入口までをつなぐ配管が、その長さｌが内径ｄの５００倍以上であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の赤外線ガス分析装置。