JP5311305B2 - Reaction analysis device, recording medium, measurement system and control system - Google Patents
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Description
本発明は、燃焼反応、プラズマ反応等の反応(以下、単に「反応」と呼ぶ。)の状態を計測・解析する反応解析装置及び計測システムに関し、特に、煤、輝炎、燃料予混合不良及び拡散火炎等の非予混合火炎、並びに高エネルギの反応領域への投入に起因するブレイクダウン等の発生を検知して通知し、また、光学的な測定手法によって反応の領域から情報を得て、その情報をもとに反応の特徴を解析する反応解析装置、計測システム及び制御システムに関する。また、本発明は、反応解析装置を構成するためのプログラムが記録された記録媒体に関する The present invention relates to a reaction analysis apparatus and measurement system for measuring and analyzing the state of a reaction such as a combustion reaction and a plasma reaction (hereinafter simply referred to as “reaction”), and more particularly, to a soot, luminous flame, fuel premixing failure and Detect and notify the occurrence of non-premixed flames such as diffusion flames, and breakdowns due to high energy reaction areas, and obtain information from the reaction area by optical measurement methods. The present invention relates to a reaction analysis apparatus, a measurement system, and a control system that analyze reaction characteristics based on the information. The present invention also relates to a recording medium on which a program for configuring the reaction analysis apparatus is recorded.
反応が起きている領域(以下、単に「反応領域」と呼ぶ。)において異常な反応が起こり、未反応の粒子が混入したり反応が不完全になったりすると、その反応を利用して動作する機関の動作に大きな影響を及ぼす。例えば、炭化水素系燃料と空気との予混合が行なわれていなかった場合などには、燃料が濃い領域で不完全燃焼し、煤が形成され、輝炎が発生する。また、内燃機関において燃焼室内で予期しない燃焼が生じると、いわゆるノッキングが発生する。このような異常反応の発生を検知したり、反応がどのような特徴を有するものであるか測定・解析によって知ったりすることは、反応を利用して動作する機関の高効率化、低環境負荷化にとって必要不可欠なものである。 When an abnormal reaction occurs in the region where the reaction is occurring (hereinafter simply referred to as “reaction region”) and unreacted particles are mixed or the reaction becomes incomplete, the reaction is used to operate. It has a great influence on the operation of the engine. For example, when premixing of hydrocarbon-based fuel and air has not been performed, incomplete combustion occurs in a region where the fuel is rich, soot is formed, and a bright flame is generated. Further, when unexpected combustion occurs in the combustion chamber in the internal combustion engine, so-called knocking occurs. Detecting the occurrence of such an abnormal reaction and knowing what characteristics the reaction has through measurement and analysis is the reason for improving the efficiency and reducing the environmental impact of engines that operate using the reaction. It is indispensable for the transformation.
従来、反応異常を検知したり反応の特徴を知るための手法として、人間の知覚による経験的な手法、反応領域の圧力測定及び圧力解析による手法、反応室の音、または、振動の測定及び解析による方法、反応領域からの排気等を測定しその成分等を分析する手法などが行なわれてきた。しかしこれらの手法は感覚的、または、間接的な手法であるため、検知の再現性に欠け、また反応について詳細な情報を得ることができるものではなかった。 Conventionally, methods for detecting reaction anomalies and knowing the characteristics of reactions include empirical methods based on human perception, pressure measurement and pressure analysis in reaction regions, and measurement and analysis of reaction chamber sounds or vibrations. And the method of measuring the exhaust gas from the reaction region and analyzing its components. However, since these methods are sensory or indirect methods, the reproducibility of detection is lacking, and detailed information on the reaction cannot be obtained.
そこで、反応領域を直接的に光学計測することにより反応異常の発生を検知したり、反応が行なわれている領域の光を解析することによって反応の状態等についての情報を得たりする様々な技術が提案されている。例えば、特許文献1には、火炎の各自発光に対応させて燃焼室に光センサを設置し、光センサにより検出された発光強度の比から空燃比を算出し、この空燃比に基づいて燃焼診断を行なう方法が開示されている。また、非特許文献2に記載の燃焼診断手法のように、燃焼室に光ファイバを挿入し、光ファイバを介して燃焼室内の光を検出し、その光の強度によってノッキング等の燃焼異常を検出するものもある。
また、本件発明者らは、特許文献2に記載の光計測装置を提案している。この光計測装置は、この光計測装置は、反射光学系を形成する光学素子を有するプラグを用いて燃焼室内の局所の物理・化学反応によって発生する光を計測し、物理・化学反応領域、局所的な物理・化学反応特性の検出・解析を行なうものである。
Therefore, various technologies that detect the occurrence of reaction abnormality by directly optically measuring the reaction region, and obtain information about the state of the reaction by analyzing the light in the region where the reaction is taking place Has been proposed. For example, in
The inventors of the present invention have proposed an optical measurement device described in Patent Document 2. This optical measuring device measures light generated by a local physical / chemical reaction in a combustion chamber using a plug having an optical element that forms a reflection optical system, and the physical / chemical reaction region, local Detection and analysis of physical and chemical reaction characteristics.
特許文献1に記載の技術は、発光強度の比から空燃比を算出し、当該空燃比によって燃焼診断を行なっているが、不完全燃焼により反応領域において煤が形成され輝炎が発生した場合などには、そもそも自発光の強度を正確に測定することができない。そのため、空燃比を算出することは不可能となる。したがって、特許文献1に記載の技術では、このような異常反応を検知できない。
The technique described in
非特許文献1に記載の技術では、燃焼室内の光の強度によって燃焼異常を検出しているが、反応領域の熱、圧力、若しくは雰囲気中の化学物質等の影響により、または、光ファイバに煤などが付着することにより、光ファイバの集光性能が劣化した場合には、光の強度を正確に測定することができなくなる。また不正確な測定値からは適切に燃焼異常を検出することは不可能である。したがって、非特許文献1に記載の技術では、空燃比を適切に算出することができないばかりでなく、異常反応の検知の再現性が確保できない。このような受光の状況によって生じる検知の再現性の問題は、上記各文献に記載の技術において起こりうる。
In the technique described in
また、特許文献1及び非特許文献1に記載の技術では、光センサ、または、光ファイバに向かうすべての方向からの光が検出される構成となっているため、空間分解能が悪く、異常反応が検出されても、それが反応領域のどの位置で発生したのか、または、異常反応がどのような空間的分布になっているのかを同定することが極めて困難である。
Further, in the techniques described in
また、特許文献1に記載の技術においては、ガスタービン機関の燃焼器ように、燃焼が継続的に行われている反応領域を対象としており、燃焼診断装置は、燃焼器に接続された光ファイバにより導かれた光から、演算結果として自発光強度の比という一つの値を得る。しかし、このような方式では、反応領域で行われている反応を正確かつ緻密に解析するが困難である。
Moreover, in the technique described in
例えば、反応領域が一般的な自動車用エンジンのような火花着火式の容積型内燃機関である場合、または、レーザ着火方式の内燃機関である場合には、放電、または、レーザ光により誘起されるプラズマが、その後の着火や火炎伝播に大きく影響する。その他にも、気筒内の状態に関し情報を得るために、着火とは別に放電プラズマ、または、レーザを用いてプラズマを誘起させ、その光を分光分析すること(例えばSIBS:Spark Induced Breakdown Spectroscopy、または、LIBS:Laser Induced Breakdown Spectroscopy)も行われている。しかし、このプラズマから発せられる光の分光スペクトルは、火炎からの光のそれと大きく異なる。特許文献1に記載の技術では、光センサにより受光された光が、放電やレーザに由来するものであるのか、火炎に由来するものであるのか弁別できない。
For example, when the reaction region is a spark ignition type positive displacement internal combustion engine such as a general automobile engine or a laser ignition type internal combustion engine, it is induced by electric discharge or laser light. Plasma greatly affects the subsequent ignition and flame propagation. In addition, in order to obtain information on the state in the cylinder, a plasma is induced using a discharge plasma or a laser separately from ignition, and the light is spectrally analyzed (for example, SIBS: Spark Induced Breakdown Spectroscopy, or LIBS (Laser Induced Breakdown Spectroscopy) is also performed. However, the spectral spectrum of the light emitted from this plasma is very different from that of the light from the flame. In the technique described in
また、例えば、反応領域が一般的な自動車用エンジンのような火花点火式の容積型内燃機関である場合には、着火後に火炎帯が形成され、この火炎帯がシリンダ内で進展することにより火炎伝播が達成される。このような場合、光の発生位置は時間の経過と共に変化する。特許文献1に記載の技術では、燃焼の異常等が起きる位置は同定できない。
In addition, for example, when the reaction region is a spark ignition type positive displacement internal combustion engine such as a general automobile engine, a flame zone is formed after ignition, and the flame zone develops in the cylinder to cause the flame. Propagation is achieved. In such a case, the light generation position changes with time. The technique described in
さらに、一般的な自動車用エンジンは、複数の気筒を備える。これらの気筒の各々で発生する火炎が、内燃機関の性能を決定付ける。特許文献1に記載の技術により各気筒に関する情報を得るには、分光、光電変換、増幅、演算処理のための機能部を最低でも気筒数と同数設けなければならないため、装置が大掛かりなものとなってしまう。
Further, a general automobile engine includes a plurality of cylinders. The flame generated in each of these cylinders determines the performance of the internal combustion engine. In order to obtain information on each cylinder by the technique described in
本発明は、上述の事情に鑑みて提案されるものであって、反応領域が異常な反応状態にあるかを的確にかつ高い再現性で検知できる反応解析装置、計測システム及び反応解析装置を構成するためのプログラムを記録した記録媒体を提供しようとするものである。 The present invention is proposed in view of the above-described circumstances, and constitutes a reaction analysis device, a measurement system, and a reaction analysis device that can accurately detect with high reproducibility whether a reaction region is in an abnormal reaction state. The present invention intends to provide a recording medium on which a program for recording is recorded.
また、本発明は、反応領域の状態に応じて適切な解析処理を実行し、燃料領域の特徴を効率よく解析できる反応解析装置、計測システム及び反応解析装置を構成するためのプログラムを記録した記録媒体を提供しようとするものである。 In addition, the present invention executes a suitable analysis process according to the state of the reaction region and records a program for configuring a reaction analysis device, a measurement system, and a reaction analysis device that can efficiently analyze the characteristics of the fuel region. It is intended to provide a medium.
また、本発明は、反応領域が異常な状態にあるかを高い空間分解能で検知することができる反応解析装置、計測システム及び反応解析装置を構成するためのプログラムを記録した記録媒体を提供しようとするものである。 In addition, the present invention intends to provide a reaction analysis apparatus, a measurement system, and a recording medium on which a program for configuring the reaction analysis apparatus is recorded that can detect whether the reaction region is in an abnormal state with high spatial resolution. To do.
本発明に係る反応解析装置は、反応領域から発せられた光の分光測定装置による測定結果から第1の波長成分の強度値及び第2の波長成分の強度値を取得する取得手段と、取得手段により取得された第1の波長成分の強度値及び第2の波長成分の強度値から第2の波長成分に対する第1の波長成分の相対強度を算出する相対強度算出手段と、相対強度算出手段により算出された相対強度が所定の範囲内の値であるか否かを判定する判定手段と、判定手段により相対強度が所定の範囲内の値であると判定されたことに応答して反応領域の状態が所定の状態にあることを通知する通知手段とを有し、通知手段は、判定手段により相対強度が所定の範囲内の値であると判定されたことに応答して、反応領域がレーザ誘起ブレイクダウン反応の初期状態にあることを通知することを特徴とする。 The reaction analysis apparatus according to the present invention includes an acquisition unit that acquires the intensity value of the first wavelength component and the intensity value of the second wavelength component from the measurement result of the light emitted from the reaction region by the spectrometer. A relative intensity calculating means for calculating a relative intensity of the first wavelength component with respect to the second wavelength component from the intensity value of the first wavelength component and the intensity value of the second wavelength component acquired by Determining means for determining whether or not the calculated relative intensity is a value within a predetermined range; and in response to the determination means determining that the relative intensity is a value within the predetermined range, state have a notification means for notifying that it is in a predetermined state, the notification means is responsive to the relative intensities the judgment means judges that the value within the predetermined range, the reaction zone is a laser Initial state of the induced breakdown reaction And notifying that it is in.
上記構成によれば、反応領域から発せられた光の所定の分光測定装置による測定結果のうち、第2の波長成分に対する第1の波長成分の相対強度が所定の範囲内の値であるときに反応領域が所定の状態にあることを通知する。この相対強度は、第1の波長成分、または、第2の波長成分の強度値に比べ、反応領域から発せられた光を受光し分光測定する際に光学系の状態に依存して発生する誤差の影響によって変動することが少ない。したがって、反応領域に関する分光測定装置による測定結果に基づき、測定の状況から大きく影響を受けることなく、反応領域が所定の状態にあることを高い再現性で適切に検知し通知することができる。 According to the above configuration, when the relative intensity of the first wavelength component with respect to the second wavelength component is a value within a predetermined range among the measurement results of the light emitted from the reaction region by the predetermined spectrometer. Notify that the reaction area is in a predetermined state. This relative intensity is an error generated depending on the state of the optical system when the light emitted from the reaction region is received and spectroscopically measured as compared with the intensity value of the first wavelength component or the second wavelength component. Fluctuation due to the influence of Therefore, it is possible to appropriately detect and notify with high reproducibility that the reaction region is in a predetermined state, without being greatly affected by the measurement state, based on the measurement result of the spectroscopic measurement apparatus regarding the reaction region.
上記構成によれば、所定のレーザ誘起ブレイクダウン反応領域に関する分光測定装置による測定結果に基づき、反応領域がレーザ誘起ブレイクダウン反応の初期の状態にあることを高い再現性で適切に検知し通知することができる。 According to the above configuration, based on the measurement result of the spectroscopic measurement device regarding the predetermined laser-induced breakdown reaction region, it is appropriately detected and notified with high reproducibility that the reaction region is in the initial state of the laser-induced breakdown reaction. be able to.
本発明に係る反応解析装置は、判定手段による判定の結果に応じて、第1の波長範囲及び第2の波長範囲から、波長範囲を選択する選択手段と、判定手段による判定が実行された測定結果のうち、選択手段により選択された波長範囲内に出現するピークの特徴量をもとに、反応領域の特徴に関する所定の情報を生成するピーク解析手段とを有する。 Measurements reaction analyzing apparatus according to the present invention, according to the result of determination by the determining means, from the first wavelength range and the second wavelength range, and selecting means for selecting a wavelength range, the determination by the determination means is executed Among the results, there is a peak analysis unit that generates predetermined information on the feature of the reaction region based on the feature amount of the peak that appears in the wavelength range selected by the selection unit .
上記構成によれば、ピーク解析手段は、判定手段による判定の結果に応じて選択された波長範囲内のピークの特徴量をもとに、反応領域の特徴に関する所定の情報を生成する。すなわち、ピーク解析手段は反応領域の状態に応じて選ばれた波長範囲から得られる情報をもとに反応領域の特徴に関する所定の情報を生成する。したがって、反応領域の状態に応じて効率的に反応領域の特徴に関する情報を提供することができる。 According to the above configuration, the peak analysis unit generates predetermined information on the feature of the reaction region based on the feature amount of the peak within the wavelength range selected according to the determination result by the determination unit. That is, the peak analysis means generates predetermined information related to the characteristics of the reaction region based on the information obtained from the wavelength range selected according to the state of the reaction region. Therefore, the information regarding the characteristics of the reaction region can be efficiently provided according to the state of the reaction region.
ピーク解析手段は、判定手段による判定が実行された測定結果のうち、選択手段により選択された波長範囲内の第5の波長成分及び第6の波長成分にそれぞれ出現するピークの出現時期をもとに、ノッキングの発生の有無を判定し、当該判定の結果を示す情報を生成する。 Peak analysis means, the original of the measurement results is determined by the determining means is executed, the appearance timing of peaks appearing respectively to the fifth wavelength component and the wavelength component of the sixth in the wavelength range which is selected by the selection means Then, it is determined whether or not knocking has occurred, and information indicating the result of the determination is generated.
上記構成によれば、反応領域の状態に応じた効率的な処理でノッキングの発生の有無を判定することができる。また反応領域から発せられた光によってノッキングの発生の有無を判定するため、振動や圧力によるノッキングの判定より、ノッキングの発生位置に関する情報を得ることが容易である。またピークの出現時期の情報は、反応領域で発せられた光の強さやピークの強度値より光の測定系の状態に依存して発生する誤差の影響によって変動することが少ない。したがって分光測定装置による測定結果に基づき、測定の状況から大きく影響を受けることなく、高い再現性で適切にノッキングの発生の判定を行なうことができる。 According to the above configuration, it is possible to determine whether knocking has occurred or not by an efficient process according to the state of the reaction region. In addition, since the presence or absence of knocking is determined based on the light emitted from the reaction region, it is easier to obtain information regarding the position where knocking occurs than the determination of knocking due to vibration or pressure. Further, the information on the appearance time of the peak is less likely to fluctuate due to the influence of an error generated depending on the state of the light measurement system than the intensity of light emitted in the reaction region or the intensity value of the peak. Therefore, it is possible to appropriately determine the occurrence of knocking with high reproducibility without being greatly affected by the measurement state based on the measurement result obtained by the spectroscopic measurement apparatus.
ピーク解析手段は、判定手段による判定が実行された測定結果のうち、選択手段により選択された波長範囲内の第5の波長成分及び第6の波長成分にそれぞれ出現するピークにおける強度の時間変化をもとに、ノッキングの発生の有無を判定し、当該判定の結果を示す情報を生成する。 Peak analysis means, among the measurement results are determined by the determining means is executed, the time variation of the intensity at the fifth wavelength component and sixth respectively appearing peak in a wavelength component in the wavelength range which is selected by the selection means First, it is determined whether or not knocking has occurred, and information indicating the result of the determination is generated .
上記構成によれば、反応領域の状態に応じた効率的な処理でノッキングの発生の有無を判定することができる。また反応領域から発せられた光によってノッキングの発生の有無を判定するため、振動や圧力によるノッキングの判定より、ノッキングの発生位置に関する情報を得ることが容易である。また、ピークの出現している時間は短時間であるため、光の測定系の状態に依存して発生する誤差の影響が少ない。したがって分光測定装置による測定結果に基づき、測定の状況から大きく影響を受けることなく、高い再現性で適切にノッキングの発生の判定を行なうことができる。 According to the above configuration, it is possible to determine whether knocking has occurred or not by an efficient process according to the state of the reaction region. In addition, since the presence or absence of knocking is determined based on the light emitted from the reaction region, it is easier to obtain information regarding the position where knocking occurs than the determination of knocking due to vibration or pressure. In addition, since the peak appears for a short time, there is little influence of errors that occur depending on the state of the light measurement system. Therefore, it is possible to appropriately determine the occurrence of knocking with high reproducibility without being greatly affected by the measurement state based on the measurement result obtained by the spectroscopic measurement apparatus.
また、本発明に係る反応解析装置は、反応領域から発せられた光の分光測定装置による測定結果から、第1の波長成分の強度値及び第2の波長成分の強度値を取得する取得手段と、取得手段により取得された第1の波長成分の強度値及び第2の波長成分の強度値から、第2の波長成分に対する第1の波長成分の相対強度を算出する相対強度算出手段と、相対強度算出手段により算出された相対強度が所定の範囲内の値であるか否かを判定する判定手段と、判定手段により相対強度が所定の範囲内の値であると判定されたことに応答して、反応領域の状態が所定の状態にあることを通知する通知手段と、判定手段による判定の結果に応じて、第1の波長範囲及び第2の波長範囲から、波長範囲を選択する選択手段と、判定手段による判定が実行された測定結果のうち、選択手段により選択された波長範囲内に出現するピークの特徴量をもとに、反応領域の特徴に関する所定の情報を生成するピーク解析手段とを備え、ピーク解析手段は、選択手段により選択された波長範囲内の2以上の波長にそれぞれ出現するピークの幅に基づき、圧力に関する情報を生成することを特徴とするものである。 In addition, the reaction analysis apparatus according to the present invention includes an acquisition unit that acquires the intensity value of the first wavelength component and the intensity value of the second wavelength component from the measurement result of the light emitted from the reaction region by the spectrometer. A relative intensity calculating means for calculating a relative intensity of the first wavelength component with respect to the second wavelength component from the intensity value of the first wavelength component and the intensity value of the second wavelength component acquired by the acquiring means; In response to determining that the relative intensity calculated by the intensity calculating means is a value within a predetermined range; and determining that the relative intensity is a value within a predetermined range by the determining means. A notification means for notifying that the state of the reaction region is in a predetermined state, and a selection means for selecting a wavelength range from the first wavelength range and the second wavelength range in accordance with a result of determination by the determination means And the determination by the determination means is executed. A peak analysis unit that generates predetermined information on the characteristics of the reaction region based on the feature amount of the peak that appears in the wavelength range selected by the selection unit among the measured results. , based on the width of the peak appearing respectively in two or more wavelengths within the wavelength range selected by the selection means, it is characterized in Rukoto constituting the information about the pressure generated.
また、この反応解析装置において、圧力に関する情報は、反応領域の分圧の情報であることを特徴とするものである。 Further, in this reaction analysis apparatus, the information on pressure is information on partial pressure in the reaction region.
本発明に係る計測システムは、反応解析装置と、物点から光が入射されるとこの光を像点で集光させる光学素子と、光学素子により像点に集光された光を分光測定し、当該分光測定の結果を信号として出力する分光測定手段とを有し、反応解析装置は、分光測定手段により出力される信号を受信するものである。 The measurement system according to the present invention includes a reaction analysis device, an optical element that collects light at an image point when light is incident from an object point, and spectroscopically measures light collected at the image point by the optical element. And a spectroscopic measurement means for outputting the result of the spectroscopic measurement as a signal, and the reaction analyzer receives a signal output from the spectroscopic measurement means.
上記構成によれば、物点で発生した光を光学素子が像点で集光させ、集光された光を分光測定手段が分光測定し、その結果を上述の反応解析装置が受ける。したがって、物点を含む局所で起きている反応により生じた光に基づき、光学素子の状況から大きく影響を受けることなく、高い再現性で適切に局所が所定の状態にあることを通知することができる。 According to the above configuration, the optical element condenses the light generated at the object point at the image point, the spectroscopic measurement means performs spectroscopic measurement of the collected light, and the result is received by the above-described reaction analysis apparatus. Therefore, based on the light generated by the reaction occurring locally including the object point, it is possible to notify that the local state is appropriately in a predetermined state with high reproducibility without being greatly affected by the situation of the optical element. it can.
また、本発明に係る計測システムにおいては、LIBS、または、SIBSを行う場合において、例外処理機能を備えることができる。すなわち、この計測システムにおいて、分光測定手段は、LIBSを行う場合には、レーザの波長に対応する波長成分の強度が高くなったときから所定期間内の分光測定結果を、SIBS、または、スパーク放電の光を計測の場合は、プラグへ流れる電流値が高くなったときから所定期間内の分光測定結果を、反応解析装置の処理にではなく、別の処理に回す例外処理を行うことができる。 In the measurement system according to the present invention, an exception handling function can be provided when performing LIBS or SIBS. That is, in this measurement system, when performing the LIBS, the spectroscopic measurement means obtains the spectroscopic measurement result within a predetermined period from the time when the intensity of the wavelength component corresponding to the wavelength of the laser is increased, as SIBS or spark discharge. In the case of measuring this light, it is possible to perform an exceptional process in which the spectroscopic measurement result within a predetermined period from the time when the value of the current flowing to the plug becomes high is not sent to the process of the reaction analysis apparatus but to another process.
また、本発明に係る計測システムは、判定手段による判定結果が制動輻射光であった時点の測定結果から順に、測定結果の時間進展にしたがい、反応領域のイオンの分析、原子の分析及び分子の分析を行うことを特徴とするものである。 In addition, the measurement system according to the present invention, in order from the measurement result at the time when the determination result by the determination means is the bremsstrahlung light, according to the time progress of the measurement result, the analysis of the ions in the reaction region, the analysis of the atoms and the molecular It is characterized by performing an analysis.
また、本発明に係る計測システムは、反応領域から発生された光を分光測定装置による測定結果に対し互いに他と異なる処理を行うことにより反応領域の特徴に関し該処理に対応する所定の情報をそれぞれ生成する複数の解析手段と、測定結果から2以上の波長を選択するための波長選択手段と、2以上の波長に属する波長の組合せを構成する各組について一方の波長の成分の強度に対する他方の波長の成分の相対強度を算出する相対強度算出手段と、波長、強度及び時間の3次元からなる測定結果の空間において熱励起発光、化学発光(火炎、プラズマ光を含む)及び制動輻射光の生じている領域を判別するための判別手段と、判別手段による判別結果に応じて、複数の解析手段が処理を行う範囲を設定するための範囲設定手段とを備えることを特徴とするものである。 In addition, the measurement system according to the present invention performs processing different from each other on the light generated from the reaction region with respect to the measurement result by the spectroscopic measurement device, thereby providing predetermined information corresponding to the processing regarding the characteristics of the reaction region. A plurality of analyzing means to be generated, a wavelength selecting means for selecting two or more wavelengths from the measurement result, and the other of the components of one wavelength with respect to the intensity of the other of the combinations of wavelengths belonging to two or more wavelengths Relative intensity calculation means for calculating the relative intensity of the wavelength component, and generation of thermal excitation light emission, chemiluminescence (including flame and plasma light) and bremsstrahlung light in the measurement result space consisting of three dimensions of wavelength, intensity and time A discriminating unit for discriminating a region in which the plurality of analyzing units perform processing according to a discrimination result by the discriminating unit. And it is characterized in and.
さらに、この計測システムは、範囲設定手段は、制動輻射光が生じている領域より、高エネルギの投入によるブレイクダウンで生じる光のピークの特徴量に基づく所定の情報の生成処理(LIBS、SIBS)においては、イオンを対象とする所定の情報の生成処理、原子を対象とする所定の情報の生成処理、分子を対象とする所定の情報の生成処理の順で処理を行うことを特徴とするものである。 Further, in this measurement system, the range setting means generates predetermined information based on a feature amount of a light peak caused by breakdown caused by high energy input from an area where braking radiation is generated (LIBS, SIBS). Is characterized in that processing is performed in the order of predetermined information generation processing for ions, predetermined information generation processing for atoms, and predetermined information generation processing for molecules. It is.
以上のように、本発明に係る反応解析装置は、第2の波長成分に対する第1の波長成分の相対強度が所定の範囲内の値であるときに反応領域が所定の状態にあることを通知するので、反応領域に関する分光測定装置による測定結果に基づき、測定の状況から大きく影響を受けることなく、反応領域が所定の状態にあることを高い再現性で適切に検知し通知することが可能になった。 As described above, the reaction analysis apparatus according to the present invention notifies that the reaction region is in a predetermined state when the relative intensity of the first wavelength component with respect to the second wavelength component is a value within a predetermined range. Therefore, based on the measurement results of the spectroscopic measurement device related to the reaction region, it is possible to appropriately detect and notify with high reproducibility that the reaction region is in a predetermined state without being greatly affected by the measurement situation. became.
また、レーザ誘起ブレイクダウン反応の初期の状態を高い再現性で適切に検知し通知することが可能になった。 Moreover, it has become possible to properly detect and notify the initial state of the record over The induced breakdown reactions with high reproducibility.
また、ピーク解析手段が反応領域の状態に応じて選ばれた波長範囲から得られる情報をもとに反応領域の特徴に関する所定の情報を生成するので、反応領域の状態に応じて効率的に反応領域の特徴に関する情報を提供することが可能になった。 In addition, since the peak analysis means generates predetermined information on the characteristics of the reaction region based on information obtained from the wavelength range selected according to the state of the reaction region, the reaction can be efficiently performed according to the state of the reaction region. It became possible to provide information on the characteristics of the region.
また、反応領域の状態に応じた効率的な処理でノッキングの発生の有無を判定することが可能になり、さらに分光測定装置による測定結果に基づき、測定の状況から大きく影響を受けることなく、高い再現性で適切にノッキングの発生を検知することが可能になった。 In addition, it is possible to determine the presence or absence of knocking with efficient processing according to the state of the reaction region, and based on the measurement result by the spectroscopic measurement device, it is high without being greatly affected by the measurement status It became possible to detect the occurrence of knocking appropriately with reproducibility.
また、本発明に係る反応解析装置においては、LIBS、SIBS等を行う場合の例外処理機能を有することにより、レーザや放電に起因して反応領域から発せられる光に基づく反応の解析を、適切、かつ、効率的に行うことが可能になる。 Further, in the reaction analysis apparatus according to the present invention, by having an exception processing function when performing LIBS, SIBS, etc., analysis of reaction based on light emitted from the reaction region due to laser or discharge is appropriately performed, And it becomes possible to carry out efficiently.
104 光学素子
106 光ファイバケーブル
108A、・・・、108N 光ファイバ
110A、・・・、110N 分光測定装置
114 反応解析装置
140 第1面
140A、142A 第1領域
140B、142B 第2領域
142 第2面
144、146 反射膜
148 保護膜
150 迷光絞り
200 コンピュータシステム
300 信号変換部
302 分光データ記憶部
304 スペクトルパターン判定部
306 処理選択部
308 連続パターン解析部
310 ピーク解析部
312 解析結果記憶部
314 ユーザインタフェース
316 出力部
330 第1強度値取得部
332 第2強度値取得部
334 相対強度算出部
336 基準値記憶部
338 判定部
350 データ読出部
352 温度算出部
354 濃度算出部
370 ピーク検出部
372 ピーク特徴量抽出部
374 統計処理部
376 較正情報記憶部
378 特徴量解析部
104P〜S 光学素子
106P〜S 光ファイバケーブル
108nP〜S 光ファイバ
700、800、900 計測システム
702 分光測定装置
708、804 信号分配器
802 バンドルファイバ
902 処理選択器
104
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。なお、以下の説明に用いる図面では、同一の部品に同一の符号を付してある。それらの名称及び機能も同一である。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the drawings used for the following description, the same parts are denoted by the same reference numerals. Their names and functions are also the same.
〔本発明の概念〕
以下に先ず、火炎を例に本発明の概念を説明する。燃料と酸化剤とが適正に混合されていると、燃料は完全燃焼する。この状態においては、燃料は残らず電離して励起されてラジカルとなり、その際に火炎中のラジカルから光が発せられる。これに対し燃料と酸化剤との混合が不適正であると、燃料の濃い部分で不完全燃焼が発生する。この状態においては燃料が完全にはプラズマ化せず、一部が微粒子となり拡散する。この微粒子が煤煙である。煤煙は火炎により加熱され、黒体輻射により強い光を発する。この光のためにいわゆる輝炎が形成される。
[Concept of the present invention]
First, the concept of the present invention will be described first by taking a flame as an example. If the fuel and oxidant are properly mixed, the fuel will burn completely. In this state, all of the fuel is ionized and excited to become radicals, and light is emitted from the radicals in the flame. On the other hand, if the mixing of the fuel and the oxidizer is inappropriate, incomplete combustion occurs in the dense portion of the fuel. In this state, the fuel is not completely converted into plasma, and part of the fuel becomes fine particles and diffuses. These fine particles are smoke. The soot is heated by the flame and emits strong light by black body radiation. This light forms a so-called luminous flame.
図1に、メタンガスを空気中で完全燃焼させた場合の炎と輝炎とについて、それらの炎から発せられる光の300nm乃至550nm付近の波長域における分光スペクトルを対比して示す。図1を参照して、ラジカルからは、そのラジカルの種類に応じて特定の波長成分を有する光が発せられる。そのため、完全燃焼の炎から発せられる光のスペクトルでは、いくつかの急峻なピークの存在するスペクトルパターンが認められる。これに対して、輝炎においては、ラジカルから発せられる光の成分に加えて黒体輻射によって発せられる光の成分が検出される。黒体輻射では、ラジカルから発せられる光と異なり広い波長帯域成分に亘る光が発せられる。そのため輝炎から発せられる光のスペクトルでは、特に長波長帯域において、連続的なスペクトルパターンが認められる。 FIG. 1 shows, for a flame and a luminous flame when methane gas is completely burned in the air, a spectral spectrum in a wavelength range of 300 nm to 550 nm of light emitted from those flames. Referring to FIG. 1, light having a specific wavelength component is emitted from a radical according to the type of the radical. Therefore, in the spectrum of light emitted from the flame of complete combustion, a spectral pattern in which some sharp peaks exist is recognized. On the other hand, in the luminous flame, in addition to the light component emitted from the radical, the light component emitted by the black body radiation is detected. In black body radiation, light over a wide wavelength band component is emitted unlike light emitted from radicals. Therefore, in the spectrum of light emitted from the bright flame, a continuous spectrum pattern is recognized particularly in the long wavelength band.
このようなスペクトルパターンでは、C2*から発せられる光の強度を求めることができない。そのため、C2*から発せられる光に対応する波長約473nm、または、約516nmの成分の強度とCH*から発せられる光に対応する波長約431nmの成分の強度との比からは空気過剰率、当量比、及び空燃比のいずれを算出できない。しかし、波長約473nm、または、約516nmの成分の強度と波長約431nmの成分の強度との比は、完全燃焼の炎から発せられる光のスペクトルと輝炎から発せられる光のスペクトルとでは大きく異なる値となる。このようなスペクトルパターンであっても、CH*から発せられる光に対応する波長約431nm程度以下の波長帯域においては、ラジカルから発せられる光に対応する波長において、ピークを認めることができる。 With such a spectral pattern, the intensity of light emitted from C2 * cannot be obtained. Therefore, from the ratio of the intensity of the component with a wavelength of about 473 nm corresponding to the light emitted from C2 * or the intensity of the component with a wavelength of about 431 nm corresponding to the light emitted from CH *, the excess air ratio, equivalent Neither the ratio nor the air-fuel ratio can be calculated. However, the ratio between the intensity of the component having a wavelength of about 473 nm or about 516 nm and the intensity of the component having a wavelength of about 431 nm is greatly different between the spectrum of light emitted from the flame of complete combustion and the spectrum of light emitted from the bright flame. Value. Even in such a spectral pattern, a peak can be recognized at a wavelength corresponding to light emitted from radicals in a wavelength band of about 431 nm or less corresponding to light emitted from CH *.
そこで本実施形態では、火炎の分光スペクトルの情報から、まずこのようなスペクトルパターンの違いを、同時に計測された2つの波長成分の強度の一方の他方に対する相対値(以下、「相対強度」と呼ぶ。)基づいて判定することによって、輝炎若しくは煤の発生、または、燃料予混合不良等の状態の検知を行なう。また、本実施形態では、ラジカルから発せられる光に起因するスペクトル上での強度のピークが検出可能な波長帯域において、ピークのタイミング、波長、強度、スペクトル線幅、及びラインシェイプ等の特徴に基づきノッキング発生の検知をはじめとする解析処理を実行し、反応領域についての情報を得る。 Therefore, in the present embodiment, from the spectral spectrum information of the flame, first, such a difference in the spectrum pattern is referred to as a relative value (hereinafter referred to as “relative intensity”) with respect to the other one of the intensities of the two wavelength components measured simultaneously. )) Based on the detection, detection of a state such as generation of bright flame or soot or poor fuel premixing is performed. Further, in the present embodiment, in the wavelength band in which the peak of intensity on the spectrum caused by light emitted from radicals can be detected, it is based on characteristics such as peak timing, wavelength, intensity, spectral line width, and line shape. Analysis processing including detection of occurrence of knocking is executed to obtain information about the reaction region.
〔全体構成〕
図2に、本実施形態に係る計測システムの概略構成を示す。図2を参照して、この計測システム100は、反応領域内、または、近傍の測定領域102より発せられる光を集光させるための光学素子104と、測定領域102より発せられた光の光学素子114による集光位置に一端がそれぞれ配置された複数の光ファイバ108A、・・・、108Nを有し当該一端に入射した光を各々の他端より出射させる光ファイバケーブル106と、光ファイバ108A、・・・、108Nの他端にそれぞれ接続され、当該他端から出射された光を分光し、分光された各成分の強度に応じた電気信号である測定信号112A、・・・、112Nを出力する分光測定装置110A、・・・、110Nと、測定信号112A、・・・、112Nを受け、この測定信号112A、・・・、112Nに対して信号処理を実行することにより測定領域102において輝炎の発生を検出するとともに、その検出結果及び測定信号112A、・・・、112Nに基づき測定領域102に存在する計測対象及びその物理・化学状態等に関する解析を行ない、その解析結果108を出力する反応解析装置114とを有する。
〔overall structure〕
FIG. 2 shows a schematic configuration of the measurement system according to the present embodiment. Referring to FIG. 2, this
〔光学素子〕
図3に、本実施形態に係る光学素子104の断面図を示す。図3を参照して、光学素子104は、第1面140及び第2面142を有する一体的な光学素子である。これら第1面140及び第2面142間は、透光性のある一様な媒質となっている。媒質は、具体的にはいわゆる光学ガラス、または、合成石英等である。
(Optical element)
FIG. 3 is a cross-sectional view of the
第1面140及び第2面142は、それぞれ外周側の第1領域140A、142Aと、中央部の第2領域140B、142Bとを有する。第1面140の第1領域140Aは、所定の点Oを曲率中心とする球面の透過面となっている。第1面140の第2領域140Bには、金属材料等の反射材料(例えば、アルミニウム)からなる第1の反射膜144が被着形成されている。そのため第1面140の第2領域140Bは媒質側からの入射光の反射面となっている。さらに、反射膜144の計測位置102側には、計測対象から反射膜134を保護するための保護膜148が形成されている。第2面142の第1領域142Aには、第1の反射膜144のものと同様の反射材料からなる第2の反射膜146が被着形成されている。すなわち第2面142の第1領域142Aは、媒質側からの光の凹面反射面となっている。第2面142の第2領域142Bは、点Iを曲率中心とする球面の透過面となっている。以下、点Oを「物点」と呼び、点Iを「像点」と呼ぶ。
The
物点Oからの光は、第1面140の第1領域140Aに入射し、第1面140及び第2面142間の媒質中を進行して、第2面142の第1領域142Aにおいて反射される。そして、第2面142の第1領域142Aにおいて反射された光は、第1面140の第2領域140Bにおいて反射され、第2面142の第2領域142Bを通して出射され、迷光絞り150を介して像点Iに集光される。物点O側にある点O1、O2、O3、O4、O5、・・・、Onからの光もまた同様に、光学素子104によって、像点I側の結像面上にそれぞれ集光される。したがって、この光学素子104においては、物点O1、O2、O3、O4、O5、・・・、Onからの光の光路に寄与する面が反射面のみであるため、色収差の発生がない。
Light from the object point O enters the
光ファイバケーブル106の入射側の端面は、光ファイバ108A、・・・、108Nの各々の入射端面が、像点Iを含む光学素子114の結像面上に第1面140の第2領域140Bに向けて配置されるよう、配設される。そのため物点O1、O2、O3、O4、O5、・・・、Onで生じた光が、光学素子104により、その物点に対応する結像面上の位置に配置されたファイバ108A、・・・108Nにより集光される。集光された光はそれぞれ、ファイバ108A、・・・、108Nに入射され、光ファイバ108A、・・・、108Nを介して分光測定装置110A、・・・、110N側の端面よりそれぞれ出射されることになる。
The incident end face of the
〔分光測定装置〕
図1に示す分光測定装置110A、・・・、110Nは、接続される光ファイバが異なることを除けば、いずれも同一の構成を有する。これらを代表して、図4に、分光測定装置110Aの側面図を示す。図4を参照して、分光測定装置110Aは、光ファイバ108Aから出射される光の光軸上に配置され、光ファイバ108Aから出射される光を平行光に変換するコリメータ170と、コリメータ170により平行光に変換された光の光軸上に配置された第1のミラー172と、コリメータ170を介して出射される平行光の第1のミラー172による反射光の光軸上に配置された第2のミラー174と、コリメータ170を介して出射される平行光の第2のミラー174による反射光の光軸上に配置され、第2のミラー174により反射された上述の光を分光して出射する分光素子176と、分光素子176により分光されたスペクトル光の光路上に配置された第3のミラー178と、第3のミラー178により反射されたスペクトル光の光路上に配置され、入射されたスペクトル光を逐次的に光電変換し、その結果得られる時系列電気信号を上述の測定信号112Aとして出力する光検出器180とを有する。
[Spectrometer]
Each of the
分光素子176は、具体的には回折格子、プリズム等である。光検出器180は、具体的には電荷結合素子(CCD)等がマトリクス状に多数配置されてなるCCDイメージセンサ等である。ミラー172、174、及び178は、プラズマから生じた光が入射されてから分光素子176により分光され光検出器180により受光されるまでの過程において光が輻輳しないよう、それぞれ入射光に対し所定の角度をなすよう配置される。
Specifically, the
分光素子176に到達した光は分光素子176によりスペクトル光に分光されてミラー178を介して光検出器180に到達する。そのため、スペクトル光の各成分の光検出器180上での受光位置はその波長により異なる。これに対し光検出器180は、各受光位置において受光した光を順次光電変換し、その時刻における受光位置と当該受光位置での光の強度とを表す情報を含んだ測定信号112Aを出力する。したがって、光検出器180の出力する測定信号112Aは、物点O1から発せられた光に含まれる各波長成分の各時刻における強度を表す情報を含むものとなる。
The light that has reached the
〔信号処理部のコンピュータによる実現と動作〕
本実施形態の反応解析装置114の機能は、コンピュータハードウェアと、そのコンピュータハードウェアにより実行されるプログラムと、コンピュータハードウェアに格納されるデータとにより実現可能である。図5に、この反応解析装置114の機能を実現するためのコンピュータシステム200の構成を示す。
[Realization and operation of signal processing unit by computer]
The function of the
図5を参照して、このコンピュータシステム200は、測定信号112A、・・・、112Nの入力及び解析結果116の出力を受け持つインタフェース202を有するコンピュータ204と、コンピュータ204にそれぞれ接続されたキーボード等の入力装置218及びディスプレイ装置等の出力装置220とを有する。
Referring to FIG. 5, this
コンピュータ204は、インタフェース202に加えて、インタフェース202に接続されたバス206と、中央処理装置(CPU)208とを有する。コンピュータ204はさらに、ブートアッププログラム等を記憶する読出専用メモリ(ROM)210と、プログラム命令、システムプログラム、及び作業データ等を記憶するランダムアクセスメモリ(RAM)212と、ハードディスク214と、リムーバブルメディアドライブ216とを有する。CPU208、ROM210、RAM212、ハードディスク214、及びリムーバブルメディアドライブ216はいずれもバス186に接続される。ここでは示さないが、コンピュータ204はさらに、ローカルエリアネットワーク(LAN)への接続を提供するネットワークアダプタボードを備えてもよい。
In addition to the
コンピュータシステム200を反応解析装置114として動作させるためのプログラムは、リムーバブルメディアドライブ216に挿入されるリムーバブルメディアに記憶されており、その記憶内容はハードディスク214に転送される。プログラムは図示しないネットワークを通じてコンピュータ204に送信されハードディスク214に記憶されてもよい。プログラムは実行の際にRAM212にロードされる。なお、プログラムはハードディスク214を経由することなく上述のリムーバブルメディア、または、ネットワークから、直接にRAM212にロードされてもよい。
A program for causing the
このプログラムは、コンピュータ204に反応解析装置114としての動作を実行させる複数の命令を含む。これら動作の実行命令に必要な基本的機能のいくつかは、コンピュータ204にインストールされコンピュータ204上で動作するオペレーティングシステム(OS)、サードパーティのプログラム、または、各種ツールキットのモジュールにより提供される。したがってこのプログラムは、必ずしも反応解析装置114の動作を実現するのに必要な機能全てを含んでいなくてもよい。このプログラムは、命令のうち、所望の結果が得られるように制御された手法で適切な機能、ツール等を呼出すことにより、反応解析装置114の各機能を実現する命令のみを含んでいればよい。コンピュータシステム204自体の動作は周知であるので、ここでは説明を繰返さない。
This program includes a plurality of instructions that cause the
〔機能的構成〕
図6に、反応解析装置114の機能的構成をブロック図形式で示す。図6を参照して、反応解析装置114は、測定信号112A、・・・、112Nを受けて測定領域102の各位置から発せられた光の各時刻における各波長成分の強度を表す時系列データ(以下、「分光データ」と呼ぶ。)に変換する信号変換部300と、信号変換部300により生成された分光データを保持する分光データ記憶部302とを有する。
[Functional configuration]
FIG. 6 shows a functional configuration of the
反応解析装置114はさらに、分光データをもとに、各時刻、各位置における分光スペクトルが全体域に亘ってピークを有するスペクトルパターンであるか連続的な部分を有するスペクトルパターンであるかを判定するスペクトルパターン判定部304と、スペクトルパターン判定部304による判定の結果に基づいて、実行すべき解析処理を選択し、選択の結果に対応する命令を出力する処理選択部306と、処理選択部306からの命令に従い、連続的なパターンを有するスペクトルの分光データの解析を実行し、その結果を出力する連続パターン解析部308と、処理選択部306からの命令に従い分光データに基づき、スペクトル上のピークに基づきノッキングの判定及び反応領域の解析を実行し、その結果を出力するピーク解析部310とを有する。
The
処理選択部306による処理の選択は、具体的には次のようなものである。すなわち、分光データ上での時刻のうち連続的なスペクトルパターンであることと判定された時刻の分光データについては、連続パターン解析部308及びピーク解析部310の両方による解析を選択する。さらに、ピーク解析部310による解析対象となるピークの波長範囲として、連続的なスペクトルパターンの影響が軽微な第1の波長範囲を選択し、当該第1の波長範囲を解析対象となるピークの波長範囲として指定する。それ以外の時刻については、ピーク解析部310による解析のみを選択し、さらに、ピーク解析部310による解析対象となるピークの波長範囲として、分光データ上での全波長範囲である第2の波長範囲を指定する。
The process selection by the
連続的なスペクトルパターンの影響が軽微な波長範囲は、連続的なスペクトルパターンが発生する原因が既知であれば、その原因に応じて予め予測可能である。例えば、図1に示すような輝炎であれば、CH*から発せられる光に対応する431nm程度以下の波長帯域においては、煤に起因する輝炎の影響は軽微である。したがって、本実施形態では、限定した場合の波長範囲を表す情報が予め準備され、処理選択部306がこれを保持し、選択の際にこの情報を使用するものとする。
The wavelength range in which the influence of the continuous spectrum pattern is slight can be predicted in advance according to the cause if the cause of the generation of the continuous spectrum pattern is known. For example, in the case of the luminous flame as shown in FIG. 1, the influence of the luminous flame due to soot is insignificant in the wavelength band of about 431 nm or less corresponding to the light emitted from CH *. Therefore, in the present embodiment, information indicating the wavelength range in the case of limitation is prepared in advance, the
反応解析装置114はさらに、連続パターン解析部308及びピーク解析部310により出力される解析結果を保持する解析結果記憶部312と、解析結果の出力を命じる操作等をユーザより受付けるユーザインタフェース316と、スペクトルパターン判定部304による判定の結果及びピーク解析部310によるノッキングの判定の結果を測定領域102の状態に関する情報に変換して出力するとともに、ユーザインタフェース316が受付けた操作に基づき、解析結果記憶部312に保持された計測対象情報を読出し出力するための出力部314とを有する。スペクトルパターン判定部304による判定結果をもとに出力部314が出力する情報は、具体的には、煤発生の通知、燃料予混合不良の通知、輝炎の発生等である。
The
スペクトルパターン判定部304は、保持されている分光データからスペクトルパターンの判定に用いる第1の波長成分の強度値(以下、「第1強度値」と呼ぶ。)を取得するための第1強度値取得部330と、第2の波長成分の強度値(以下、「第2強度値」と呼ぶ。)を取得するための第2強度値取得部332と、第1強度値の第2強度値に対する相対強度を算出する相対強度算出部334と、相対強度とスペクトルパターンの別との関係を表す基準値情報を保持する基準値記憶部336と、相対強度と基準値情報との比較により、スペクトルパターンが連続的なものであるか否かを判定する判定部338とを有する。
The spectrum
第1の波長成分としては、連続的なスペクトルパターンの違いによって強度が大きな異なる波長成分を選ぶことが望ましく、第2の波長成分としては、連続的なスペクトルパターンの違いによる強度の差異が比較的小さい波長成分を選ぶことが望ましい。例えば測定領域102(図2参照)において炭化水素系燃料の燃焼反応が行なわれている場合には、C2*から発せられる光に対応する約473nm、または、約516nm付近の波長成分を選んでもよい。第2の波長成分としては、例えば測定領域102(図2参照)において炭化水素系燃料の燃焼反応が行なわれている場合には、CH*、CN*、または、OH*から発せられる光に対応する波長成分を選んでもよい。 As the first wavelength component, it is desirable to select a wavelength component having a large intensity depending on the difference in the continuous spectrum pattern, and as the second wavelength component, the difference in intensity due to the difference in the continuous spectrum pattern is relatively small. It is desirable to select a small wavelength component. For example, when a combustion reaction of a hydrocarbon fuel is performed in the measurement region 102 (see FIG. 2), a wavelength component of about 473 nm or about 516 nm corresponding to the light emitted from C2 * may be selected. . The second wavelength component corresponds to, for example, light emitted from CH *, CN *, or OH * when a hydrocarbon fuel combustion reaction is performed in the measurement region 102 (see FIG. 2). The wavelength component to be selected may be selected.
連続パターン解析部308は、処理選択部306から連続的なスペクトルパターンの解析処理に対応する命令に従い、連続的なスペクトルパターンからの解析に必要な第3の波長成分及び第4の波長成分の強度値を分光データ記憶部302から読出すためのデータ読出部350と、データ読出部350により読出された第3及び第4の波長成分の強度値をもとに、黒体輻射を発した粒子の温度を算出する温度算出部352と、温度算出部352により算出された温度及び第4の波長成分の強度値をもとに粒子の濃度を算出する濃度算出部354とを有する。第3の波長成分及び第4の波長成分はいずれも上述の第2の波長範囲外の波長成分であることが望ましい。例えば第3波長成分として約680nmの波長成分を、第4の波長成分として約800nmの波長成分を選んでもよい。
The continuous
ピーク解析部310は、分光データ記憶部302に保持された分光データをスキャンして、測定領域102から発せられた光のピークを検出するピーク検出部370と、分光データをもとに、ピーク検出部370により検出されたピークの特徴量を抽出するピーク特徴量抽出部372とを有する。ピークの特徴量は、具体的にはピークの出現時刻、波長、ピークの高さすなわちピークの頂点の波長成分の強度(以下、「ピーク強度」と呼ぶ。)、スペクトル線幅、シフト量、及びラインシェイプである。
The
ピーク解析部310はさらに、ノッキングが発生した際に圧力波の影響により生じる副次的な生成物から発せられる光、または、反応による生成物から発せられる光に時間的な変化が生じる成分から発せられる光に対応する第5の波長成分において出現するピークの特徴量をもとにノッキングが発生したか否かを判定し、ノッキングが発生した場合にその旨を通知する信号を出力するノッキング検出部373を有する。第5の波長成分は、例えばOH*から発せられる光に対応する波長成分である。ノッキングにより圧力波が生じると、その影響により高温高圧になった領域において、OH*が発生し、燃焼反応が起きていない領域においてOH*から発せられる光が検出されることがある。このような場合、燃焼反応によって生じる例えばC2*、CN*、CH*から光が発せられる光に対応する波長成分(以下、「第6の波長成分」と呼ぶ。)におけるピークの出現時刻とOH*から発せられる光に対応する波長成分におけるピークの出現時刻との間に差異が生じる。また、圧力波の影響により、OH*から発せられる光の強度が時間の経過にしたがって波打つように段階的に変化することがある。ノッキング検出部373は、ノッキングが発生した際に生じるこのような光の時間的な変化をもとに、ノッキングの発生の有無を判定する。
The
ピーク解析部310はさらに、ピーク特徴量抽出部372により抽出された各ピークの特徴量について統計処理を行ない、その結果として測定位置から発せられた光の特徴を表す情報(以下、「測定光特徴情報」と呼ぶ。)を生成する統計処理部374を有する。測定光特徴情報は、具体的にはピークの特徴量及びピーク同士でのピークの特徴量の比、並びにそれらの平均、2乗平均、分散、及び時間変動特性等である。
Further, the
ピーク解析部310はさらに、反応領域から発せられる光の特徴と反応領域の状態・特徴との関係を表す較正情報を保持する較正情報記憶部376と、較正情報に基づき、測定光特徴情報を解析して計測対象の特徴に関する情報に変換し、その情報をピークに基づく解析の結果として解析結果記憶部312に格納する特徴量解析部232とを有する。計測対象の特徴は、例えば計測対象の質量、流量、濃度、圧力、温度、及びプラズマ特性評価値等、並びにそれらの時間変動、並びに反応帯の厚さ及び反応の到達速度等である。較正情報は、プラズマから生じた光の上述した特徴と、上述した計測対象の特徴との関係を表す関数、相関曲線、または、対応表等である。
The
〔処理全体の流れ〕
図7に、反応解析装置114により実行される処理全体の制御構造をフローチャートで示す。図7を参照して、この処理400は、測定信号112A、・・・、112Nの各々について実行される。処理400が開始されると、ステップ402では、処理対象の時刻を0で初期化する。ステップ404では、時刻tにおける測定信号を増幅及びデジタル化することにより、分光データに変換する。ステップ406では、ステップ404で変換された分光データを蓄積する。ステップ408では、ステップ406で蓄積された分光データを用いてスペクトルパターンを判定する処理を実行する。この処理については図8を参照しつつ後述する。
[Flow of overall processing]
FIG. 7 is a flowchart showing a control structure of the entire process executed by the
続くステップ410では、ステップ408においてスペクトルが連続的なスペクトルパターンであると判定されたか否かを判定する。前者であれば処理はステップ412に移行する。さもなければステップ416に移行する。
In the
ステップ412では、時刻tを、連続的なスペクトルパターンに基づく粒子の状態解析の対象時刻に設定する。続くステップ414では、黒体輻射の影響下にある波長帯域を後述のステップ418での処理対象から除外するために、第1の波長範囲を選択してピークの検出範囲に制限を設けて、ステップ418に進む。処理がステップ416に移行した場合、当該ステップ416で、第2の波長範囲を選択して全波長帯域をピークの検出範囲に設定し、ステップ418に進む。
In
ステップ418では、時刻t以降の時刻に対応する測定信号が与えられているか否かを判定する。測定信号が与えられていればステップ420に進み、時刻tに1を加算し、ステップ404に戻る。さもなければステップ422に進む。 In step 418, it is determined whether a measurement signal corresponding to a time after time t is given. If a measurement signal is given, the process proceeds to step 420, 1 is added to time t, and the process returns to step 404. Otherwise, go to step 422.
ステップ422では、分光データを用いて、黒体輻射を発した粒子の状態を解析する。この処理については図9を参照しつつ後述する。ステップ424では、分光データ上でピークに関する解析を行なう。この処理については、図10を参照しつつ後述する。ステップ426では、ステップ422、及びステップ424での処理の結果得られた情報を解析結果として出力し、この処理を完了する。
In
〔スペクトルパターン解析処理〕
図8に、上述のステップ408(図7参照)で実行されるスペクトルパターン解析処理の制御構造をフローチャートで示す。図8を参照して、この処理408が開始されると、ステップ440では、ステップ406(図7参照)で蓄積された分光データから第1及び第2の選択波長の強度値を読出す。ステップ442では、第1強度値を第2強度値で除算して、相対強度を算出する。
[Spectral pattern analysis processing]
FIG. 8 is a flowchart showing the control structure of the spectral pattern analysis process executed in step 408 (see FIG. 7) described above. Referring to FIG. 8, when this
ステップ444では、ステップ442で算出した相対強度が所定の基準範囲内の値であるか、基準範囲外の範囲の値であるかを判定する。基準範囲内の値であればスペクトルパターン判定処理408を終了する。基準範囲外の範囲の値であれば、処理はステップ446に移行する。ステップ446では、判定対象となっているスペクトルにおいて連続的なスペクトルパターンが検出されたことに対応する値を出力する。続くステップ448では、連続的なスペクトルパターンに対応する通知を発行し、スペクトルパターン判定処理408を終了する。
In
〔粒子の状態解析処理〕
図9に、上述のステップ422(図7参照)で実行される粒子の状態解析処理の制御構造をフローチャートで示す。図9を参照して、この処理412が開始されると、ステップ460では、処理の対象時刻tを0で初期化する。ステップ462では、時刻tが図7に示す処理のステップ412によって解析の対象時刻として設定されたか否かを判定する。設定されていればステップ466に進む。さもなければステップ464に進み、当該ステップ478で時刻tに1を加算し、ステップ462に戻る。
[Particle state analysis processing]
FIG. 9 is a flowchart showing the control structure of the particle state analysis process executed in step 422 (see FIG. 7). Referring to FIG. 9, when this
ステップ466では、ステップ404(図7参照)で蓄積された分光データから時刻tにおける第3及び第4の波長成分の強度値を読出す。ステップ468では、2色法を用いて、ステップ466で読出した第3及び第4の波長成分の強度値から、黒体輻射の光を発している粒子の真温度を算出する。
In
ステップ470では、プランクの放射則に基づき、ステップ468で算出した真温度と第3の波長成分の強度値とから当該波長成分に対応する輝度温度を算出する。続くステップ472では、ステップ468で算出した真温度とステップ470で算出した輝度温度とから、いわゆるKL値すなわち放射率と反応場の厚さとの積を算出する。ステップ474では、ステップ472で算出したKL値を粒子の濃度に換算する。ステップ476では、時刻t以降の時刻の分光データが蓄積されているか否かを判定する。蓄積されていれば、処理はステップ464に移行する。さもなければステップ480に進む。
In
ステップ480では、上述のステップ460〜ステップ476の一連の処理で算出された真温度及び粒子の濃度について、時間方向での統計処理を実行し、これらの値の平均、標準偏差、及び時間変動等を求める。ステップ482では、上述のステップ460〜ステップ476の一連の処理で算出された真温度及び粒子の濃度、並びにステップ480で求めたそれらの統計量を解析結果として出力・記憶し、粒子の状態解析処理422を終了する。
In
〔ピーク解析処理〕
図10に、上述のステップ424(図7参照)で実行されるピーク解析処理の制御構造をフローチャートで示す。図10を参照して、このピーク解析処理424が開始されると、ステップ500では、処理対象時刻tを0で初期化する。ステップ502では、時刻tに関しステップ414、または、ステップ416(ともに図7参照)において設定された波長範囲が、制限された範囲であるか否かを判定する。制限されたものであれば、処理はステップ504に進む。さもなければステップ506に進む。
[Peak analysis processing]
FIG. 10 is a flowchart showing the control structure of the peak analysis process executed in step 424 (see FIG. 7) described above. Referring to FIG. 10, when this
ステップ504では、制限された波長帯域内で分光データをスキャンして、当該範囲内にある全ピークを検出し、ステップ508に進む。ステップ506では、分光データにおける全波長帯域を対象に分光データをスキャンして、当該範囲内にある全ピークを検出し、ステップ508に進む。
In
ステップ508では、分光データをもとに、ステップ504、または、ステップ506で検出したピークの各々について、ピークの出現時刻、波長、ピーク強度、スペクトル線幅、シフト量、及びラインシェイプを同定し、これらをピークの特徴量として記憶する。
In
ステップ510では、ステップ474では、ステップ472で算出したKL値を粒子の濃度に換算する。ステップ476では、時刻t以降の時刻の分光データが蓄積されているか否かを判定する。蓄積されていれば、処理はステップ464に進み、処理対象時刻tに1を加算して、ステップ502に戻る。さもなければステップ513に進む。
In
ステップ513では、ピークの特徴量をもとにノッキングの発生の有無を判定するノッキング判定処理を実行する。この処理については、図11を参照しつつ後述する。続くステップ514では、ステップ500〜ステップ512の一連の処理によって同定された各ピークの特徴量をもとに、ピークの特徴量に関する統計処理を実行し、測定光特徴情報を生成する。そして生成した測定光特徴情報を記憶する。
In
ステップ516では、ステップ502と同様に波長範囲に制限が設けられているか否かを判定する。制限が設けられていなければ、処理はステップ518に進み、測定光特徴情報のうちのピーク強度の比及びその統計値と予め準備された較正曲線とを照合することにより、空気過剰率に関する解析を実行し、その結果を出力する。この際、空気過剰率の解析結果を局所当量比、または、局所空燃比の情報に換算した上で出力してもよい。
In
ステップ516、または、ステップ518の処理が終了すると、以下に示すステップ520及び522、並びにステップ524、並びにステップ526、並びにステップ528及び530、並びにステップ532の解析処理を並行して実行する。
When the processing of
ステップ520では、予め準備された反応領域における反応の開始点の位置及び反応の開始時刻の情報と、測定位置の情報と、測定光特徴情報のうちのピークの出現時刻とをもとに、反応領域における反応の伝播速度及びその統計量の解析を実行し、その解析結果を出力・記憶する。
In
ステップ522では、ステップ520で解析された伝播速度と時間軸方向でのピークの幅とを乗算して、反応帯の厚さを算出する。さらに伝播速度の統計量及び時間軸方向のピーク幅の統計量をもとに、及び反応帯の厚さの統計量に関する解析を実行する。そして、反応帯の厚さ及びその統計量を解析結果として出力・記憶する。
In
ステップ524では、単一のラジカル、または、プラズマから発せられた光に含まれる複数の波長成分に対応するピークに関し、それらピークのピーク強度比及びその統計量をもとに、当該ラジカル、または、プラズマの回転温度に関する解析を実行し、回転温度及びその統計量を解析結果として出力・記憶する。
In
ステップ526では、各ピークのスペクトル線幅を測定位置における圧力に換算するとともに、スペクトル線幅の統計量をもとに圧力に関する解析を実行し、測定位置における圧力及び統計量に基づく圧力の解析の結果を解析結果として出力・記憶する。
In
ステップ528では、各ピークの波長、及びシフト量から測定位置に存在するラジカル、または、プラズマの特性を同定するとともに、ピーク強度及びその統計量から同定された特性のラジカル、または、プラズマの質量、流量、及び数量、並びにそれらの統計量を算出し、上記ラジカル、または、プラズマの特性評価値と質量、流量、及び数量、並びにそれらの統計量とを解析結果として記憶する。続くステップ530では、ステップ528での解析結果をもとに、分子分析、元素分析等の成分分析を実行しその結果を解析結果として出力・記憶する。
In
〔ノッキング判定処理〕
図11に、上述のステップ513(図10参照)で実行されるノッキング判定処理の制御構造をフローチャートで示す。図11を参照して、ノッキング判定処理513が開始されると、ステップ552で、第5の波長成分の強度が第6の波長成分と比べて急増しているか否かを判定する。具体的には、第5の波長成分においてピークが出現している時間帯に第6の波長成分においてピークが出現しているか否かを判定する。存在していなければ第5の波長成分の強度が急増していると判定し、ステップ560に進む。存在していれば急増していないと判定し、ステップ554に進む。
[Knocking determination process]
FIG. 11 is a flowchart showing the control structure of the knocking determination process executed in step 513 (see FIG. 10) described above. Referring to FIG. 11, when knocking
ステップ554では、第5の波長成分のピークの出現時刻と第6の波長成分のピークの出現時刻にずれがあるか否かを判定する。ずれがあればステップ560に進む。さもなければステップ558に進む。
In
ステップ558では、第5の波長成分のあるピークが出現している時間帯において当該波長成分の強度が段階的に変動しているか否かを判定する。変動していればステップ560に進む。さもなければこの処理を終了する。 In step 558, it is determined whether or not the intensity of the wavelength component fluctuates step by step in a time zone in which a certain peak of the fifth wavelength component appears. If so, the process proceeds to step 560. Otherwise, this process is terminated.
ステップ560では、ノッキングが発生したことを示す通知を発行し、この処理を終了する。
In
〔動作〕
以下、本実施形態に係る計測システムの動作を例示する。図2を参照して、計測システム100の光学素子104は、所望の測定位置からの光が光学素子104に入射されるよう配置され、その状態で計測が開始される。図3を参照して、反応領域内の物点O1、O2、O3、O4、O5、・・・、Onから発せられた光が光学素子104に入射されると、それらの光は光学素子104の第1面140の第1領域140Aを通過し、第1面140及び第2面142間の媒質中を進行して、第2面142の第1領域142Aにおいて反射される。そして、第2面142の第1領域142Aにおいて反射された光は、第1面140の第2領域140Bにおいて反射され、第2面142の第2領域142Bを通して出射され、迷光絞り150を介して、光ファイバ108A、・・・、108Nの入射端面においてそれぞれ集光される。集光された光は、ファイバ108A、・・・、108Nにそれぞれ入射され、光ファイバ108A、・・・、108Nを介して分光測定装置110A、・・・、110N(図2参照)側の端面よりそれぞれ出射される。
[Operation]
Hereinafter, the operation of the measurement system according to the present embodiment will be exemplified. With reference to FIG. 2, the
図4を参照して、分光測定装置110Aに入射された光は、コリメータ170により平行光に変換された後、第1のミラー172及び第2のミラー174により反射され、分光素子176に到達する。分光素子176に到達した光は、分光素子176によりスペクトル光に分光され、第3のミラー178を介して光検出器180に到達する。光検出器180は、各受光位置に到達した光を順次光電変換し、その時刻における光の到達位置とその位置での光の強度とを表す測定信号112Aを出力する。図2に示す分光測定装置110A、・・・、110Nはいずれも上述の動作と同様の動作を実行し、入射された光に対応する測定信号測定信号112A、・・・、112Nをそれぞれ出力する。出力された測定信号112A、・・・、112Nは、反応解析装置114に与えられる。
Referring to FIG. 4, the light incident on the spectroscopic measurement device 110 </ b> A is converted into parallel light by the
反応解析装置114が測定信号112A、・・・、112Nを受けると、反応解析装置114は、測定信号112A、・・・、112Nの各々について、以下に示す動作を実行する。
When the
図6を参照して、反応解析装置114に入力された測定信号は、信号変換部300に与えられる。信号変換部300は測定信号が与えられたことに応答して、測定信号を順次増幅及びデジタル化することにより、分光データに変換し、当該分光データを分光データ記憶部302に格納する。
Referring to FIG. 6, the measurement signal input to
分光データ記憶部302に分光データが格納されると、スペクトルパターン判定部304の第1強度値取得部330及び第2強度値取得部332がそれぞれ、分光データから第1及び第2の選択波長の強度値を順次読出し、相対強度算出部334に与える。相対強度算出部334は、与えられた第1強度値を第2強度値で除算して、相対強度を順次算出する。算出した相対強度は、判定部338に順次与えられる。判定部338は、与えられた相対強度と基準値記憶部336に保持されている基準値とを比較し、相対強度が所定の基準範囲内にあるか否かを判定する。相対強度が基準範囲内になければ、判定部338は、判定対象となっている時刻の分光スペクトルが連続的なスペクトルパターンであると判定し、判定対象の時刻と当該時刻が連続的なスペクトルパターンであることを示す信号を出力部316及び処理選択部306に対し出力する。出力部316は、この信号の入力を受けると、煤発生の通知、燃料予混合不良の通知、輝炎の発生等の通知を発行し、解析結果116として出力する。
When the spectral data is stored in the spectral
処理選択部306は、判定部338からの信号に基づいて、当該時刻の分光データに対する解析処理を選択する。すなわち、連続的なスペクトルパターンであることと判定された時刻に対しては、連続パターン解析部308及びピーク解析部310の両方による解析を選択し、さらに、ピーク解析部310による解析対象となるピークの波長範囲を、連続的なスペクトルパターンの影響が軽微な範囲に限定する。それ以外の時刻については、ピーク解析部310による解析のみを選択し、さらに、ピーク解析部310による解析対象となるピークの波長範囲として、分光データ上での全波長範囲を指定する。処理選択部306は、この選択結果をもとに、連続パターン解析部308及びピーク解析部310が行なう解析の命令を生成し、連続パターン解析部308及びピーク解析部310に与える。
Based on the signal from the
処理選択部306からの命令が連続パターン解析部308に与えられると、データ読出部350は命令に従い、連続パターン解析部308による処理が選択された時刻における第3の波長成分の強度及び第4の波長成分の強度を分光データ記憶部302から読出し、温度算出部352及び濃度算出部354に順次与える。温度算出部352は、2色法を用いて、第3及び第4の波長成分の強度値から、黒体輻射の光を発している粒子の真温度を算出する。温度算出部352は、算出した真温度の値を解析結果記憶部312に格納し、この値をさらに濃度算出部354に与える。そして時間方向に真温度に関する統計処理を実行し、その結果を解析結果記憶部312に格納する。濃度算出部354は、第3の波長成分の強度値とから当該波長成分に対応する輝度温度を算出する。そして、輝度温度と温度算出部352から与えられた真温度とから、KL値を算出する。さらにKL値を粒子の濃度に換算する。濃度算出部354は、算出した粒子の濃度値を解析結果記憶部312に格納する。そして時間方向に濃度に関する統計処理を実行し、その結果を解析結果記憶部312に格納する。
When the command from the
処理選択部306からの命令がピーク解析部310に与えられると、ピーク検出部370は、分光データ記憶部302に格納されている分光データを、波長方向及び時間方向にスキャンし、各時刻においてその時刻にピークが存在するか否かを判定する。ただし、処理選択部306からの命令により、処理対象の波長範囲が限定されている時刻については、限定された波長範囲内についてのみスキャンを実行する。ピーク検出部370は、分光データにこの判定の結果を付与して、ピーク特徴量抽出部372に与える。
When a command from the
ピーク特徴量抽出部372は、ピーク検出部370から、ピークの検出結果付の分光データが与えられると、このデータをもとに、検出された各ピークの出現時刻、波長、及びピーク強度を同定する。ピーク特徴量抽出部372はさらに、各ピークの頂点周辺のデータをスキャンして、当該ピークのスペクトル線幅、シフト量、及びラインシェイプをピークごとに同定する。そして、これら同定した情報を各ピークの特徴量としてノッキング検出部373及び統計処理部374に与える。
When the peak feature
ノッキング検出部373は、与えられたピークの特徴量のうち、第5の波長成分に注目し、次のようにしてノッキングの発生の有無を判定する。すなわち、第5の波長成分においてピークが出現している時間帯に第6の波長成分にピークが出現してしない場合、または、当該時間帯に第6の波長成分にピークが出現しているが、そのピークの出現時刻にずれがある場合、または、当該時間帯において、第5の波長成分の強度が段階的に変動している場合、ノッキングが発生したと判定する。ノッキングが発生したと判定した場合、ノッキング検出部373は、ノッキングの発生を示す信号を出力部316に対し出力する。出力部316は、この信号の入力を受けると、ノッキング発生の通知を発行し、解析結果116として出力する。
The knocking
統計処理部374は、各ピークの特徴量からピーク同士でのピークの各特徴量の比等を算出する。統計処理部374はさらに、各特徴量及びその比について統計処理を行ない、それらの平均、2乗平均、分散、及び時間変動特性を算出する。そして統計処理部374は、各ピークの特徴量、各特徴量の比、及びそれらについての統計処理の結果を、測定光特徴情報として、特徴量解析部378に与える。
The
特徴量解析部378は、統計処理部374から測定光特徴情報が与えられたことに応答して、この情報を較正情報記憶部376に保持されている較正情報に基づいて以下の解析を実行して計測対象情報に変換する。ただし、ピーク検出の対象範囲外に発生しうるピークの特徴量を用いて行なう解析処理は、実行しない。
In response to the measurement light feature information provided from the
すなわち、特徴量解析部378は、測定光特徴情報のうちのピーク強度の比及びその統計値と構成情報とを照合することにより、空気過剰率に関する解析を実行し、その結果を解析結果記憶部312に格納する。この際、空気過剰率の解析結果を局所当量比、または、局所空燃比の情報に換算した上で解析結果記憶部312に格納するようにしてもよい。ただし、反応領域における反応が図1に示すような炭化水素系燃料の燃焼である場合、C2*から発せられる光の波長成分と輝炎の波長成分とは重複するため、輝炎が発生するとC2*から発せられる光に対応するピークについて情報を得ることが困難となる。すなわち、特徴量解析部378は、輝炎が発生した時刻については、空気過剰率の解析を実行しない。
That is, the feature
また、特徴量解析部378は、反応領域における反応の開始点の位置及び反応の開始時刻、測定位置、並びにピークの出現時刻をもとに、反応領域における反応の伝播速度及びその統計量の解析を実行し、その解析結果を解析結果記憶部312に格納する。
The feature
また、特徴量解析部378は、伝播速度と時間軸方向でのピークの幅とを乗算して、反応帯の厚さを算出する。さらに伝播速度の統計量及び時間軸方向のピーク幅の統計量をもとに、及び反応帯の厚さの統計量に関する解析を実行する。そして、反応帯の厚さ及びその統計量を解析結果記憶部312に格納する。
Also, the feature
また、特徴量解析部378は、単一のラジカル、または、プラズマから発せられた光に含まれる複数の波長成分に対応するピークに関し、それらピークのピーク強度比及びその統計量をもとに、当該ラジカル、または、プラズマの回転温度に関する解析を実行し、当該温度及びその統計量を解析結果記憶部312に格納する。
In addition, the feature
また、特徴量解析部378は、各ピークのスペクトル線幅を測定位置における圧力に換算するとともに、スペクトル線幅の統計量をもとに圧力に関する解析を実行し、測定位置における圧力及び統計量に基づく圧力の解析の結果を解析結果記憶部312に格納する。
In addition, the feature
また、特徴量解析部378は、各ピークの波長、及びシフト量から測定位置に存在するラジカル、または、プラズマの特性を同定するとともに、ピーク強度及びその統計量から同定された特性のラジカル、または、プラズマの質量、流量、及び数量、並びにそれらの統計量を算出し、上記ラジカル、または、プラズマの特性評価値と質量、流量、及び数量、並びにそれらの統計量とを解析結果として解析結果記憶部312に格納する。さらに、この解析結果をもとに、分子分析、元素分析等の成分分析を実行しその結果を解析結果記憶部312に格納する。
Further, the feature
また、特徴量解析部378は、測定位置においてノッキング等の反応異常があったか否かを検査する処理を実行する。そしてその検査結果を解析結果記憶部312に格納する。
In addition, the feature
このようにして連続パターン解析部308及びピーク解析部310による解析結果は、解析結果記憶部312に格納される。ユーザインタフェース314がユーザより所望の計測対象情報の出力を要求する操作を受付けると、ユーザインタフェース314は、この操作に対応する命令を出力部316に与える。出力部314は、与えられた命令に従い、ユーザの要求に対応する情報を解析結果記憶部312から読出し、解析結果116として出力する。
In this way, the analysis results by the continuous
以上のように、本実施形態に係る計測システム100は、測定領域102から発せられた光の集光を光学素子104が行なう。この光学素子104においては、集光に関与する面が反射面のみであるため、色収差の発生がなく、高空間分解能で分光測定、並びに輝炎及び煤等の発生の検知、ノッキングの検知、及び反応領域に関する種々の解析を行なうことができる。また、本実施形態では、測定信号として時系列の信号を発生し、当該時系列信号を用いて時系列で信号処理を実行する。そのため、測定領域102における反応の時系列変化についての情報を得ることが可能になる。
As described above, in the
また、本実施形態では、分光測定により得られ第1の波長成分の強度の同じ時点で得られた第2の波長成分の強度に対する相対強度に基づいて、連続的なスペクトルパターンの光が発生したことを判定する。そしてその判定結果をもって煤、または、輝炎の発生、または、燃料予混合不良等を検出する。したがって、煤の付着等による光を受ける光学素子の性能の劣化等に影響を受けることなく、煤、または、輝炎の発生、または、燃料予混合不良等を検出することができる。 In the present embodiment, light having a continuous spectral pattern is generated based on the relative intensity with respect to the intensity of the second wavelength component obtained at the same time as the intensity of the first wavelength component obtained by spectroscopic measurement. Judge that. Based on the determination result, the occurrence of soot, bright flame, or poor fuel premixing is detected. Therefore, it is possible to detect the occurrence of soot or bright flame, or poor fuel premixing, without being affected by the deterioration of the performance of the optical element that receives light due to the soot adhering.
また本実施形態では、上述の判定の結果に基づき、分光測定の結果の解析手法を選択するため、無駄な処理が実行されるのを回避でき、測定位置で発せられた光に応じた有効な解析処理が可能になる。さらには、分光測定の結果を無駄なく有効利用して、測定結果からより多くの情報を得ることが可能になる。 Further, in the present embodiment, since an analysis method for the result of the spectroscopic measurement is selected based on the result of the determination described above, it is possible to avoid performing unnecessary processing, and it is effective according to the light emitted at the measurement position. Analysis processing becomes possible. Furthermore, it is possible to effectively use the result of the spectroscopic measurement without waste and to obtain more information from the measurement result.
また本実施形態では、ノッキングに伴う圧力波の影響によってOH*から発せられる光と、反応によって生じるその他のラジカルから発せられる光との相対的な関係及びOH*から発せられる光の時間的な変化に基づき、ノッキングの発生を検出する。したがって、圧力、振動などからノッキングを検知するより直接的にノッキングを検知することができ、ノッキング発生の検知の再現性が向上する。また、煤の付着等による光を受ける光学素子の性能の劣化等に影響を受けることなく、ノッキングの発生を検知することが可能になる。 In the present embodiment, the relative relationship between the light emitted from OH * due to the influence of the pressure wave accompanying knocking and the light emitted from other radicals generated by the reaction, and the temporal change of the light emitted from OH *. Based on the above, occurrence of knocking is detected. Therefore, knocking can be detected directly rather than detecting knocking from pressure, vibration, etc., and the reproducibility of detection of occurrence of knocking is improved. In addition, it is possible to detect the occurrence of knocking without being affected by the deterioration of the performance of the optical element that receives light due to sticking or the like.
〔変形例1〕
上記実施形態では、光学素子104は、反射により光を集光させる光学系であったが、この光学素子114に代えて凸レンズ等の光学系を用いてもよい。ただしこの場合、種々の手法で光の波長に起因する収差を軽減させることが望ましい。
[Modification 1]
In the above embodiment, the
上記実施形態では、光ファイバ108A、・・・、108Nの光学素子104側の端面は、光学素子104の結像面上に平面的に配置されたが、本発明はこのような実施形態には限定されない。光ファイバ108A、・・・、108Nの入射端面を立体的に配置するようにしてもよい。こうすることにより、反応領域から発せられる光を立体的に測定・解析することが可能になる。
In the above embodiment, the end face of the
上記実施形態では、分光測定装置112A、・・・、112Nは、入射された光をスペクトル分光し、その結果得られるスペクトル光を光検出器180によって電気信号に変換して出力するものであった。しかし、本発明はこのような実施形態には限定されない。計測位置反応領域で行なわれている反応が既知であるならば、または、所定のプラズマ特性を有する対象の反応についてのみ情報を得ることが計測の目標であるならば、分光測定装置は、反応領域から発せられる光のうち特定の波長成分のみを抽出して電気信号に変換するものであってもよい。
In the above-described embodiment, the
例えば、分光されたスペクトル光のうち特定の波長成分のみが通過する位置に、光検出器180を配置するようにしてもよい。所望の波長成分が複数存在するならば、複数の光検出器を、それぞれ所望の波長成分に対応する位置に配置すればよい。
For example, the
また例えば、光の波長に対し選択的な透過、反射、若しくは吸収特性を有する光学素子、または、それら光学素子からなる光学系の組合せによって、特定の波長成分のみを抽出するようにしてもよい。図12に、このような機能を有する構成の分光測定装置の一例を示す。図12を参照して、この分光測定装置600には、光ファイバ108Aが接続されている。この分光測定装置600は、計測の対象に応じて予め選択された波長(以下、単に「選択波長」と呼ぶ。)の光の強度を測定するための複数系統の分光測定ユニット610A、610B、610C、・・・、610Nを有する。例えば、反応領域における反応が炭化水素系燃料と空気との混合気の燃焼反応であれば、選択波長には、OH*から生じる光、CH*から生じる光、CN*から生じる光、及びC2*から生じる光の波長等、並びに煤の温度及び濃度の算出に用いる2つの波長がそれぞれ選択される。なお、この分光測定装置600を適用する場合、レーザ光束の波長には、選択波長以外の波長が選択される。
Further, for example, only a specific wavelength component may be extracted by an optical element having selective transmission, reflection, or absorption characteristics with respect to the wavelength of light, or a combination of optical systems including these optical elements. FIG. 12 shows an example of a spectroscopic measurement apparatus having such a function. Referring to FIG. 12, an
分光測定ユニット610Aは、光ファイバ108Aから出射される光の光軸上にこの光軸に対し所定の角度をなすよう配置され、分光測定ユニット610Aの選択波長を含む所定帯域の光成分に対し反射特性を有し、かつレーザ光束の波長及び分光測定ユニット610A以外の選択波長を含むその他の波長帯域の光成分に対して透過特性を有するダイクロイックミラー612Aと、ダイクロイックミラー612Aにより反射される光の光軸上に配置され、分光測定ユニット610Aの選択波長の光成分に対して透過特性を有するフィルタ614Aと、ダイクロイックミラー612Aにより反射される光の光軸上のフィルタ614Aを挟んでダイクロイックミラー612Aの反対側に配置された光検出器616Aとを有する。
The
分光測定ユニット610B、610C、・・・、610Nの構成もまた、分光測定ユニット610Aのものと同様である。ただし、それらの選択波長に応じてそれらのダイクロイックミラー及びフィルタの波長特性が選択される。
The configurations of the
この分光測定装置600は、次のように動作する。すなわち、光ファイバ108Aから光が入射されると、その光は、ダイクロイックミラー612A、612B、612C、・・・、612Nにより分光される。分光された光成分のうち選択波長近辺の波長帯域の成分は、それぞれフィルタ614A、614B、614C、・・・、614Nを通過して光検出器616A、616B、616C、・・・、616Nに到達する。光検出器616A、616B、616C、・・・、616Nはそれぞれ、到達した光成分を逐次的に測定信号112Aに変換して出力する。
The
このようにして出力された測定信号112Aをもとに、信号処理装置114が判定及び解析を実行すると、選択波長の近傍以外の波長帯域についてピーク検出その他の処理を実行する必要がなくなる。処理すべき情報量が減少するため、信号処理が効率化し、高速処理が可能になる。
When the
なお、波長方向でのスペクトル線幅、シフト量、及びラインシェイプに基づく解析の結果が計測対象情報として必要なければ、光検出器616A、616B、616C、・・・、616Nの出力信号は、受光位置の情報を必ずしも含まなくてよい。また、このような場合、光検出器616A、616B、616C、・・・、616Nとして、光電子増倍管等を適用してもよい。光電子増倍管はCCD等のイメージセンサより時間応答性が高いため、高時間分解能での計測が可能になる。
If the analysis result based on the spectral line width in the wavelength direction, the shift amount, and the line shape is not necessary as measurement target information, the output signals of the
また、このような分光測定装置600においては、光検出器616A、616B、616C、・・・、616Nの出力信号を、それぞれ別個に増幅し、増幅後の信号を測定信号112Aとして出力するようにしてもよい。ただし、その場合、図6に示す基準値記憶部336に記憶される基準値を、信号の増幅率に応じた値に設定しておく必要がある。
In such a
上記実施形態では、連続的なスペクトルパターンに基づく温度及び濃度解析処理、ピークに基づく解析処理を、分光データの全体が図6に示す分光データ記憶部302に格納された後の段階で実行する構成となっていた。しかし、これら解析処理のうち、時間方向での統計処理を要しないものについては、ある時刻に対応する分光データが生成されるたびに、その時刻の分光データに基づく解析を実行するようにしてもよい。さらには、当該解析処理をリアルタイムで実行するようにしてもよい。さらに、そのようなリアルタイム処理で得られた解析結果を、リアルタイムで出力するようにしてもよい。
In the above embodiment, the temperature and concentration analysis processing based on the continuous spectrum pattern and the analysis processing based on the peak are executed at a stage after the entire spectral data is stored in the spectral
上記実施形態では、主として燃焼反応における輝炎に起因する連続的なスペクトルパターンに対する処理について説明したが、本発明はその他の種々の反応においても、連続的なスペクトルパターンを判定し、それに基づき解析処理を選択することができる。例えば、反応領域にレーザ光などを照射して、その領域にある物質等をプラズマ化させる反応では、反応の最も初期の段階で、特に短波長域に連続的なスペクトルパターンを持つ光が発生することがある。このような場合にも、第1の波長成分及び第2の波長成分、並びに判定のための基準値を適切に選択すれば、反応の初期段階を適切に検出することも可能になる。また、このように検出された初期段階については、ピーク解析処理を実行しないよう
にしてもよい。
In the above embodiment, the processing for the continuous spectrum pattern mainly resulting from the bright flame in the combustion reaction has been described. However, the present invention also determines the continuous spectrum pattern in various other reactions and performs the analysis processing based on the determination. Can be selected. For example, in a reaction in which a reaction region is irradiated with laser light or the like, and a substance or the like in the region is turned into plasma, light having a continuous spectral pattern is generated at the earliest stage of the reaction, particularly in a short wavelength region. Sometimes. Even in such a case, it is possible to appropriately detect the initial stage of the reaction by appropriately selecting the first wavelength component and the second wavelength component and the reference value for determination. Further, the peak analysis process may not be executed for the initial stage detected in this way.
上記実施形態では、図6を参照して、出力部316はスペクトルパターン判定部304による判定の結果及びピーク解析部310によるノッキングの判定の結果を測定領域102の状態に関する情報に変換して出力するとともに、解析結果記憶部312に保持された計測対象情報を読出し出力した。しかし、信号処理部114はさらに、これら出力部316が出力すべき情報を総合して新たな情報を生成し、出力するようにしてもよい。例えば、反応領域が自動車用エンジンの燃焼室などのように一定のサイクルで繰返し反応が起こる領域であるならば、計測対象情報記憶部312に記憶される情報をもとに各解析結果を総合して、それら解析結果と反応のサイクルとの関係を表す情報を生成し出力するようにしてもよい。具体的には、各解析結果のサイクル変動などを表す情報を生成し出力するようにすれば、反応領域について、より分かり易い情報を提供することができる。また、上記解析結果同士を比較したり、相関性を解析したりして、上記解析結果同士の関係を表す情報を生成し出力するようにしてもよい。
In the above embodiment, referring to FIG. 6, the
今回開示された実施形態は単なる例示であって、本発明が上述の実施形態のみに制限されるわけではない。本発明の範囲は、発明の詳細な説明の記載を参酌した上で、特許請求の範囲の各請求項によって示され、そこに記載された文言と均等の意味及び範囲内でのすべての変更を含む。 The embodiment disclosed this time is merely an example, and the present invention is not limited to the above-described embodiment. The scope of the present invention is indicated by each claim in the claims after taking into account the description of the detailed description of the invention, and all modifications within the meaning and scope equivalent to the wording described therein are intended. Including.
〔変形例2−測定結果の時分割機能(繰返し計測、多点計測の一元化等への対応)について〕
図13は、本実施形態に係る計測システムの概略構成を示す。
[Modification 2-Time division function of measurement results (corresponding to centralization of repeated measurement, multi-point measurement, etc.)]
FIG. 13 shows a schematic configuration of the measurement system according to the present embodiment.
このシステムは、図1とそれぞれ同様の光学素子104、光ファイバケーブル106及び反応解析装置114と、光ファイバケーブル106に直結された分光測定装置702と、分光測定装置702及び反応解析装置114に接続された信号分配器708とを備える。
This system is connected to the
図14は、分光測定装置702の内部構成を示す。
FIG. 14 shows the internal configuration of the
分光測定装置702は、図4に示す分光測定装置110Aと同様の構成である。ただし、分光測定装置702においては、分光測定装置110Aに光ファイバ108Aが接続される代りに、光ファイバケーブル106が直結される。光ファイバケーブル106においては、光ファイバ108A〜Nは、一列にバンドル化されている。この光回折格子176の各スリットが延びる方向と平行に、一列に並ぶようにして分光測定装置702と接続されている。これにより、光ファイバ108A〜Nのいずれより分光測定装置702に入射された光も、光検出器180の同じ位置に同じ波長成分が到達する。そのため、分光測定装置702より出力される信号704は、反応領域102内の複数の物点(図3のO1〜On)からの光に関する分光測定結果を重畳したものとなる。
The
図13に示す信号分配器706は、所定の外部信号706と、分光測定装置702からの信号704の周期性に基づき、信号704を時方向に分割することにより、物点O1〜Onに対応する信号112A〜112Nを発生させる。なお、ここでの外部信号は、例えば、光ファイバケーブル106に束ねられた光ファイバの本数、順序等を表す信号である。
The
図15に、時方向での信号分割による信号112A〜112Nの発生の概念を模式的に示す。図15を参照して、帯状の反応領域(以下、「反応帯」と呼ぶ。)720が物点O1〜Onを順次横断するように移動するものとする。通過した物点に対応する光ファイバ108A〜Nに導入される光の強度722は、反応帯720が物点O1〜Onをそれぞれ通過する時点で強くなる。そのため、光ファイバA〜Nより分光測定装置702に導入される光には時間差が生じる。分光測定装置による測定結果704は、これらを重畳したものとなり、極大期(A1〜An)と極小期(T1〜Tn)とを光ファイバの本数と同数回繰返す信号となる。信号分配器708は、信号704の強度が極小となるタイミング(T1〜Tn)で信号704を時方向に分割する。そして外部信号706に基づき、分割した信号を光ファイバ108A〜Nに対応する信号114A〜Nとして出力する。
FIG. 15 schematically shows the concept of generation of
図16は、本実施形態の変形例に係る計測システム800の概略構成を示す。
FIG. 16 shows a schematic configuration of a
この計測システム800は4個の光学素子104P〜Sと、それらにそれぞれ接続された光ファイバケーブル106P〜Sとを有している。光ファイバケーブル106P〜Sに束ねられた光ファイバのうち所定のもの(光ファイバ108nP〜108nS)がバンドルファイバ802によりバンドルかされている。バンドルファイバ802は、図13に示すものと同一の分光測定装置702に接続される。分光測定装置702は信号分派器804を介して反応解析装置114に接続される。
The
信号分配器804に入力される外部信号806は、例えば光学素子の個数、順序等を表す信号である。または、次に示す多気筒エンジンの計測の場合には、クランク角度の情報を外部信号806としてもよい。以下、4気筒エンジンを対象とした各気筒の反応解析をこの計測システム800を用いて行う動作例を示す。
An
本動作例においては、光学素子104P〜Sは、エンジンの各気筒に設置される。この場合、信号分配器804は、外部信号806としてクランク角度の信号を受ける。4気筒エンジンにおいては、クランクが180度回転する間にいずれか一つの気筒において着火が行われる。着火を契機として行われる燃焼は、着火時点からクランクが180度回転するまでの間に終了する。そしてクランクが720度回転する間に全気筒が1回ずつ燃焼を行う。着火を行う気筒の順序は予め定められている。したがって、燃焼が行われている気筒は、4気筒のうち1つである。
In this operation example, the
光学素子104P〜Sのする光は、分光測定装置702により重畳されて分光される。信号704には、4気筒分の燃焼で発生する光の分光測定の結果が含まれるが、上述のとおり燃焼が行われている気筒は、4気筒のうち1つであるため、信号の重複はない。信号分配器804は、4気筒のうちいずれか一の気筒において着火が行われるときのクランク角度を0度としたとき、クランク角度が0度〜180度の区間、180度〜360度の区間、360度〜540度の区間及び540度〜720度の区間に信号を分割する。そして分割した信号の各々に対し、その区間において燃焼が行われている気筒の番号を付与し、信号112P〜Sを発生する。これらの信号112P〜Sが反応解析装置114に与えられる。その結果、反応解析装置114は気筒ごとに反応解析を行うこととなる。
The light emitted from the
以上のように、計測システム800は、多気筒のエンジンの各気筒についての分光計測及び反応解析を1つの分光測定装置によって実現する。これは計測システムの小型化、低コスト化に資する。また、概して振動に弱い分光測定装置の数及びその構成部品点数が少なくなるため、分光測定装置の個体差等による結果のばらつきを低減させることができる。この計測システム800により、各気筒の燃焼反応に関する種々の情報を一括して計測し解析することが可能になる。また、各気筒に関する反応解析の結果を比較することにより、気筒間のばらつきや変動について情報を得ることが可能になる。
As described above, the
なお、分光測定装置700に代えて、(基礎出願の)図12に示す分光測定装置600を用いてもよい。この場合、光ファイバが一列に配置される必要はない。
Instead of the
なお、信号分配器708は、反応解析装置に内蔵されてもよい。例えば、図6に示す分光データ記憶部302からデータを読出す際に信号分配器708が行う信号の時分割を行うようにしてもよい。
The
〔変形例3−LIBS、SIBS等を行う場合の例外処理機能について〕
図17は、この実施形態における計測システム900の概略構成を示す。
[Modification 3-Regarding exception handling function when performing LIBS, SIBS, etc.]
FIG. 17 shows a schematic configuration of a
この計測システム900においては、反応領域102において燃焼等の反応とレーザによるプラズマ誘起(ブレイクダウン)との両方が行われる。この計測システム900は、図13に示す分光測定装置700の分光測定装置702と信号分配器708の間の信号経路上に、信号704に表す特定の波長成分の発光強度に応じて受けた信号の出力先を選択する処理選択器902が配置される。
In the
処理選択器902は、特定の波長成分(具体的にはレーザ光の波長成分)の発光が検出された時点から所定期間(レーザによるブレイクダウンが行われている期間)の信号を信号904として出力し、それ以外の信号を信号分配器708に出力する。
The
この信号904を用いて解析を行うことにより、レーザ着火時の反応に関する解析やLIBSによる解析が可能になる。
By performing an analysis using this
図17では、処理選択器902が分光測定装置からの信号に基づき信号の出力先を選択したが、外部からの信号を受けた時刻から所定期間の信号を信号904として出力するようにしてもよい。例えばレーザ照射のトリガ信号を受けるようにしてもよい。また、火花着火式の内燃機関や、放電電極での放電を契機に反応を開始する反応領域において、光学素子104を放電の行われる位置に向けて配置し、点火プラグまたは放電電極へ流れる電流の計測値を処理選択器に与えるようにすれば、放電による発光の分光測定結果を信号904として出力することができる。これにより、放電を契機とする火炎核形成初期の発光に関する解析と燃焼反応での反応解析とを並立させることができる。また、放電によってプラズマを形成させるSIBSの解析とその周囲での反応の解析とを並立させることが可能になる。
In FIG. 17, the
また、LIBSを行った場合には、図18に示すように、その初期において制動輻射(電子の急速な加速、減速に起因して生じる放射光)が生じ、波長が短くなるにしたがい発光強度が高いスペクトルパターンが生じる。このような場合に相対強度(短波長側の強度を分母にとっていると仮定)を算出すると、LIBSの初期においては相対強度が低くなり、その後反応領域に存在する成分のブレイクダウンに起因する光のスペクトルパターンに移行していき、その値は上昇すると考えられる。ここで、ブレイクダウンから着火に至り、さらにススが生成されたとすると、相対強度はさらに高い値になる。 In addition, when LIBS is performed, as shown in FIG. 18, bremsstrahlung (radiated light caused by rapid acceleration and deceleration of electrons) occurs at the initial stage, and the emission intensity increases as the wavelength becomes shorter. A high spectral pattern results. In such a case, if the relative intensity (assuming that the intensity on the short wavelength side is used as the denominator) is calculated, the relative intensity becomes low in the initial stage of LIBS, and the light caused by breakdown of the components existing in the reaction region thereafter. It moves to the spectrum pattern, and the value is considered to rise. Here, assuming that ignition has occurred from breakdown and further soot is generated, the relative intensity becomes a higher value.
そこで、相対強度が所定範囲以下であるときに、制動輻射による発光であると判定し、それ以降所定期間内の測定結果に対しLIBSの解析を行うようにしてもよい。 Therefore, when the relative intensity is equal to or less than a predetermined range, it may be determined that the light is emitted by braking radiation, and thereafter, the LIBS analysis may be performed on the measurement result within the predetermined period.
レーザ着火の場合、制動輻射後初期火炎核が形成されて着火に至るまでの期間はLIBS計測を行い、それ以降についてはノッキングの判定、火炎帯の計測等の処理を実行するようにすればよい。 In the case of laser ignition, LIBS measurement is performed during the period from the formation of an initial flame nucleus after braking radiation until ignition, and after that, processing such as determination of knocking, measurement of a flame zone, etc. may be executed. .
なお、LIBSでは、制動輻射の発生後、時間の経過に従い、イオンの発光のスペクトルパターン、原子の発光のスペクトルパターン、分子の発光のスペクトルパターンがこの順で発生することがある(特に、ガスに対するLIBSの場合)。このような場合には、制動輻射を契機として、解析の対象を時間の経過に従い、イオン、原子、分子、その後火炎と変更していけば、反応領域についての解析を効率的に行うことが可能になる。 In LIBS, after the generation of bremsstrahlung, an ion emission spectral pattern, an atomic emission spectral pattern, and a molecular emission spectral pattern may occur in this order over time (especially for gas). For LIBS). In such a case, if the target of analysis is changed to ions, atoms, molecules, and then flames over time, triggered by bremsstrahlung, analysis of the reaction region can be performed efficiently. become.
なお、本変形例では、燃焼器内においてLIBSまたはSIBSを行うことを例示したが、LIBS及びSIBSは、燃焼が行われるような反応領域での解析に限定される解析手法ではない。例えば固体または液体の表面にレーザ光、放電等により高エネルギを投入することにより、それら固体または液体に関する成分分析、分子または結晶の構造等、種々の分析を行うことも可能である。また、弱電離プラズマ等エネルギ密度の低いプラズマにさらに高エネルギを投入することにより、プラズマを対象としたSIBSまたはLIBSを実行することも可能である。LIBSまたはSIBSにおける分光スペクトルの処理については周知の種々の手法を用いることができる。また、LIBSまたはSIBSにおける分光スペクトルの処理については周知の種々の手法を用いることができる。それらの処理機能もまた、コンピュータ、データ及びコンピュータプログラムによって実現可能である。そのため、それらの処理を行う機能部を反応解析装置に内蔵することも可能である。 In the present modification, LIBS or SIBS is exemplified in the combustor. However, LIBS and SIBS are not analysis methods limited to analysis in a reaction region where combustion is performed. For example, by applying high energy to the surface of a solid or liquid by laser light, electric discharge or the like, various analyzes such as component analysis on the solid or liquid, molecular or crystal structure, and the like can be performed. Moreover, it is also possible to execute SIBS or LIBS for plasma by applying higher energy to plasma with low energy density such as weakly ionized plasma. Various well-known techniques can be used for processing the spectral spectrum in LIBS or SIBS. Various known techniques can be used for processing the spectral spectrum in LIBS or SIBS. Those processing functions can also be realized by a computer, data and a computer program. Therefore, it is possible to incorporate a function unit for performing these processes in the reaction analyzer.
〔変形例4−相対強度について〕
前述した実施の形態においては、相対強度として第1の波長成分と第2の波長成分の強度比等を例示したが、本発明はこれに限定されず、波長と強度値とを軸とする分光スペクトル平面上において、第1の波長成分の強度値に対応する位置と第2の波長成分の強度値に対応する位置とを結ぶ直線が波長軸となす角度(強度変化の傾き)を、相対強度に代えて用いてもよい。
[Modification 4-Relative strength]
In the above-described embodiment, the intensity ratio of the first wavelength component and the second wavelength component is exemplified as the relative intensity, but the present invention is not limited to this, and the spectrum with the wavelength and the intensity value as axes. On the spectrum plane, an angle (inclination of intensity change) formed by a straight line connecting a position corresponding to the intensity value of the first wavelength component and a position corresponding to the intensity value of the second wavelength component to the wavelength axis is expressed as a relative intensity. It may replace with and may be used.
〔変形例5−制御システム〕
前述した実施形態においては、反応解析装置を有する計測システムによって反応領域の計測及び解析を行ったが、反応領域に関する該計測システムからの出力を反応領域の制御に用いてもよい。
[Modification 5-Control System]
In the embodiment described above, the measurement and analysis of the reaction region is performed by the measurement system having the reaction analysis device. However, the output from the measurement system regarding the reaction region may be used for controlling the reaction region.
例えば、計測システムによる出力から、この出力一意に対応する入力値への変換を機械的に、関数により、または、所定のマップを用いることにより制御量となる入力値に変換部と、さらに、この入力値に対応する状態になるよう反応領域の調整を行う調整部とを有する制御装置を、計測システムと共に用いればよい。入力値は、位置、進路、高度、姿勢、方向、寸法、体積、角度、流量、密度、線速度、角速度、加速度、機械的力、応力、流体圧力、トルク、振幅、周波数、位相、数量、物理化学的変量、成分、混合比率、湿度、温度、粘度、光量、色、電荷、電圧、電流、磁束密度及び線量等であってよい。例えば、反応領域が内燃機関のものであれば、入力値は、吸気量、吸気湿度、酸化剤の供給圧力、酸化剤中の成分の混合比率、燃料供給量、燃料供給速度、燃料供給位置、燃料供給方向、燃料供給タイミング、燃料粒径、燃料貫通度、混合度、バルブタイミング、バルブ間での開閉の相対時間差、着火タイミング、着火のための投入エネルギ、スワール強さ、タンブル強さ、点火プラグ近傍の作動流体の乱れの強さ、稼働させる計器の種類、稼働させる計器の数量、稼働させる計器の配置、排気再循環量、再循環される排気の温度、排気管圧力、後燃え、排気の定性的成分、排気の定量的成分及び圧力波の振動等であってよい。制御システムの出力からこれら入力値への変換、及び、入力値に基づく反応領域の状態の調整は、例えばエンジン制御ユニット(ECU)、キャブレタ等を用いて一般的に行われている制御手法によって実現可能である。 For example, the conversion from the output by the measurement system to the input value uniquely corresponding to this output is converted mechanically, by function, or by using a predetermined map to the input value that becomes the control amount, and further, this A control device having an adjustment unit that adjusts the reaction region so as to be in a state corresponding to the input value may be used together with the measurement system. Input value is position, course, altitude, posture, direction, dimensions, volume, angle, flow rate, density, linear velocity, angular velocity, acceleration, mechanical force, stress, fluid pressure, torque, amplitude, frequency, phase, quantity, It may be a physicochemical variable, component, mixing ratio, humidity, temperature, viscosity, light quantity, color, charge, voltage, current, magnetic flux density, dose, and the like. For example, if the reaction region is that of an internal combustion engine, the input value is intake air amount, intake air humidity, oxidant supply pressure, mixing ratio of components in the oxidant, fuel supply amount, fuel supply speed, fuel supply position, Fuel supply direction, fuel supply timing, fuel particle size, fuel penetration, mixing degree, valve timing, relative time difference between opening and closing of valves, ignition timing, input energy for ignition, swirl strength, tumble strength, ignition The strength of the turbulence of the working fluid in the vicinity of the plug, the type of instrument to be operated, the number of instruments to be operated, the arrangement of the instruments to be operated, the exhaust gas recirculation amount, the temperature of the recirculated exhaust gas, the exhaust pipe pressure, the afterburning, the exhaust gas Qualitative components, exhaust quantitative components, pressure wave vibrations, and the like. The conversion from the output of the control system to these input values and the adjustment of the state of the reaction region based on the input values are realized by a commonly used control method using, for example, an engine control unit (ECU), a carburetor, etc. Is possible.
本発明は、燃焼、または、プラズマ反応等を利用する技術一般において、その反応の測定、解析、エラー検知、反応解析及び診断等に利用可能である。
The present invention can be used for measurement, analysis, error detection, reaction analysis, diagnosis, and the like of a reaction in a general technique using combustion or plasma reaction.
Claims (9)
前記取得手段により取得された前記第1の波長成分の強度値及び前記第2の波長成分の強度値から、前記第2の波長成分に対する前記第1の波長成分の相対強度を算出する相対強度算出手段と、
前記相対強度算出手段により算出された相対強度が所定の範囲内の値であるか否かを判定する判定手段と、
前記判定手段により前記相対強度が前記所定の範囲内の値であると判定されたことに応答して、前記反応領域の状態がレーザ誘起ブレイクダウン反応の初期状態にあることを通知する通知手段とを有する
ことを特徴とする反応解析装置。 An acquisition means for acquiring the intensity value of the first wavelength component and the intensity value of the second wavelength component from the measurement result of the light emitted from the reaction region by the spectrometer.
Relative intensity calculation for calculating the relative intensity of the first wavelength component with respect to the second wavelength component from the intensity value of the first wavelength component and the intensity value of the second wavelength component acquired by the acquisition means. Means,
Determining means for determining whether or not the relative intensity calculated by the relative intensity calculating means is a value within a predetermined range;
In response to determining that the relative intensity is a value within the predetermined range by the determination unit, a notification unit that notifies that the state of the reaction region is in an initial state of a laser-induced breakdown reaction ; A reaction analyzer characterized by comprising:
前記取得手段により取得された前記第1の波長成分の強度値及び前記第2の波長成分の強度値から、前記第2の波長成分に対する前記第1の波長成分の相対強度を算出する相対強度算出手段と、Relative intensity calculation for calculating the relative intensity of the first wavelength component with respect to the second wavelength component from the intensity value of the first wavelength component and the intensity value of the second wavelength component acquired by the acquisition means. Means,
前記相対強度算出手段により算出された相対強度が所定の範囲内の値であるか否かを判定する判定手段と、Determining means for determining whether or not the relative intensity calculated by the relative intensity calculating means is a value within a predetermined range;
前記判定手段により前記相対強度が前記所定の範囲内の値であると判定されたことに応答して、前記反応領域の状態が所定の状態にあることを通知する通知手段と、In response to determining that the relative intensity is a value within the predetermined range by the determination means, a notification means for notifying that the state of the reaction region is in a predetermined state;
前記判定手段による判定の結果に応じて、第1の波長範囲及び第2の波長範囲から、波長範囲を選択する選択手段と、A selection unit that selects a wavelength range from the first wavelength range and the second wavelength range according to the determination result by the determination unit;
前記選択手段により選択された波長範囲内に出現するピークの特徴量をもとに、前記反応領域の特徴に関する所定の情報を生成するピーク解析手段とを備え、Based on the feature amount of the peak appearing in the wavelength range selected by the selection unit, the peak analysis unit for generating predetermined information regarding the feature of the reaction region,
前記ピーク解析手段は、前記選択手段により選択された波長範囲内の第5の波長成分及び第6の波長成分にそれぞれ出現するピークの出現時期をもとに、ノッキングの発生の有無を判定し、当該判定の結果を示す情報を生成するThe peak analysis means determines the presence or absence of occurrence of knocking based on the appearance times of peaks appearing in the fifth wavelength component and the sixth wavelength component within the wavelength range selected by the selection means, Generate information indicating the result of the determination
ことを特徴とする反応解析装置。A reaction analyzer characterized by that.
前記取得手段により取得された前記第1の波長成分の強度値及び前記第2の波長成分の強度値から、前記第2の波長成分に対する前記第1の波長成分の相対強度を算出する相対強度算出手段と、Relative intensity calculation for calculating the relative intensity of the first wavelength component with respect to the second wavelength component from the intensity value of the first wavelength component and the intensity value of the second wavelength component acquired by the acquisition means. Means,
前記相対強度算出手段により算出された相対強度が所定の範囲内の値であるか否かを判定する判定手段と、Determining means for determining whether or not the relative intensity calculated by the relative intensity calculating means is a value within a predetermined range;
前記判定手段により前記相対強度が前記所定の範囲内の値であると判定されたことに応答して、前記反応領域の状態が所定の状態にあることを通知する通知手段と、In response to determining that the relative intensity is a value within the predetermined range by the determination means, a notification means for notifying that the state of the reaction region is in a predetermined state;
前記判定手段による判定の結果に応じて、第1の波長範囲及び第2の波長範囲から、波長範囲を選択する選択手段と、A selection unit that selects a wavelength range from the first wavelength range and the second wavelength range according to the determination result by the determination unit;
前記選択手段により選択された波長範囲内に出現するピークの特徴量をもとに、前記反応領域の特徴に関する所定の情報を生成するピーク解析手段とを備え、Based on the feature amount of the peak appearing in the wavelength range selected by the selection unit, the peak analysis unit for generating predetermined information regarding the feature of the reaction region,
前記ピーク解析手段は、前記選択手段により選択された波長範囲内の第5の波長成分及び第6の波長成分にそれぞれ出現するピークにおける強度の時間変化をもとに、ノッキングの発生の有無を判定し、当該判定の結果を示す情報を生成するThe peak analysis means determines whether or not knocking has occurred based on temporal changes in intensity at peaks that respectively appear in the fifth wavelength component and the sixth wavelength component within the wavelength range selected by the selection means. And generating information indicating the result of the determination
ことを特徴とする反応解析装置。A reaction analyzer characterized by that.
前記取得手段により取得された前記第1の波長成分の強度値及び前記第2の波長成分の強度値から、前記第2の波長成分に対する前記第1の波長成分の相対強度を算出する相対強度算出手段と、Relative intensity calculation for calculating the relative intensity of the first wavelength component with respect to the second wavelength component from the intensity value of the first wavelength component and the intensity value of the second wavelength component acquired by the acquisition means. Means,
前記相対強度算出手段により算出された相対強度が所定の範囲内の値であるか否かを判定する判定手段と、Determining means for determining whether or not the relative intensity calculated by the relative intensity calculating means is a value within a predetermined range;
前記判定手段により前記相対強度が前記所定の範囲内の値であると判定されたことに応答して、前記反応領域の状態が所定の状態にあることを通知する通知手段と、In response to determining that the relative intensity is a value within the predetermined range by the determination means, a notification means for notifying that the state of the reaction region is in a predetermined state;
前記判定手段による判定の結果に応じて、第1の波長範囲及び第2の波長範囲から、波長範囲を選択する選択手段と、A selection unit that selects a wavelength range from the first wavelength range and the second wavelength range according to the determination result by the determination unit;
前記選択手段により選択された波長範囲内に出現するピークの特徴量をもとに、前記反応領域の特徴に関する所定の情報を生成するピーク解析手段とを備え、Based on the feature amount of the peak appearing in the wavelength range selected by the selection unit, the peak analysis unit for generating predetermined information regarding the feature of the reaction region,
前記ピーク解析手段は、前記選択手段により選択された波長範囲内の2以上の波長にそれぞれ出現するピークの幅に基づき、圧力に関する情報を生成するThe peak analysis unit generates information on pressure based on the widths of peaks that respectively appear at two or more wavelengths within the wavelength range selected by the selection unit.
ことを特徴とする反応解析装置。A reaction analyzer characterized by that.
ことを特徴とする請求項4記載の反応解析装置。 The reaction analysis apparatus according to claim 4.
前記光学素子により前記像点に集光された光を分光測定し、この分光測定の結果を信号として出力する分光測定手段と、
前記分光測定手段により出力される信号を受信する反応解析装置とを備え、
前記反応解析装置は、
反応領域から発せられた光の分光測定手段による測定結果から第1の波長成分の強度値及び第2の波長成分の強度値を取得する取得手段と、
前記取得手段により取得された第1の波長成分の強度値及び前記第2の波長成分の強度値から前記第2の波長成分に対する前記第1の波長成分の相対強度を算出する相対強度算出手段と、
前記相対強度算出手段により算出された相対強度が所定の範囲内の値であるか否かを判定する判定手段と、
前記判定手段により前記相対強度が前記所定の範囲内の値であると判定されたことに応答して、前記反応領域の状態が所定の状態にあることを通知する通知手段とを有し、
LIBSを行う場合には、レーザの波長に対応する波長成分の強度が高くなったときから所定期間内の分光測定結果を、SIBS、または、スパーク放電の光を計測の場合は、プラグへ流れる電流値が高くなったときから所定期間内の分光測定結果を、反応解析装置の処理ではない別の例外処理を行う
ことを特徴とする計測システム。 An optical element that collects light at an image point when light is incident from an object point;
Spectroscopic measurement means for spectroscopically measuring the light focused on the image point by the optical element, and outputting a result of the spectroscopic measurement as a signal ;
A reaction analyzer for receiving a signal output by the spectroscopic measurement means,
The reaction analyzer is
Obtaining means for obtaining the intensity value of the first wavelength component and the intensity value of the second wavelength component from the measurement result of the light emitted from the reaction region by the spectroscopic measurement means;
Relative intensity calculation means for calculating the relative intensity of the first wavelength component with respect to the second wavelength component from the intensity value of the first wavelength component and the intensity value of the second wavelength component acquired by the acquisition means; ,
Determining means for determining whether or not the relative intensity calculated by the relative intensity calculating means is a value within a predetermined range;
In response to determining that the relative intensity is a value within the predetermined range by the determination means, the notification means for notifying that the state of the reaction region is in a predetermined state,
In the case of performing LIBS, when the intensity of the wavelength component corresponding to the wavelength of the laser is increased, the spectroscopic measurement result within a predetermined period is measured. In the case of measuring the light of SIBS or spark discharge, the current flowing to the plug Spectral measurement results within a specified period from when the value became high are subjected to another exception process that is not a reaction analyzer process.
A measurement system characterized by this.
前記光学素子により前記像点に集光された光を分光測定し、この分光測定の結果を信号として出力する分光測定手段と、Spectroscopic measurement means for spectroscopically measuring the light focused on the image point by the optical element, and outputting a result of the spectroscopic measurement as a signal;
前記分光測定手段により出力される信号を受信する反応解析装置とを備え、A reaction analyzer for receiving a signal output by the spectroscopic measurement means,
前記反応解析装置は、The reaction analyzer is
反応領域から発せられた光の分光測定手段による測定結果から、第1の波長成分の強度値及び第2の波長成分の強度値を取得する取得手段と、Acquisition means for acquiring the intensity value of the first wavelength component and the intensity value of the second wavelength component from the measurement result of the light emitted from the reaction region by the spectroscopic measurement means;
前記取得手段により取得された前記第1の波長成分の強度値及び前記第2の波長成分の強度値から、前記第2の波長成分に対する前記第1の波長成分の相対強度を算出する相対強度算出手段と、Relative intensity calculation for calculating the relative intensity of the first wavelength component with respect to the second wavelength component from the intensity value of the first wavelength component and the intensity value of the second wavelength component acquired by the acquisition means. Means,
前記相対強度算出手段により算出された相対強度が所定の範囲内の値であるか否かを判定すると共に、前記強度算出手段により算出された相対強度の属する範囲によって、熱励起発光、化学発光及び制動輻射光の別を判定するための判定手段と、It is determined whether or not the relative intensity calculated by the relative intensity calculation means is a value within a predetermined range, and thermal excitation luminescence, chemiluminescence and chemiluminescence are determined according to the range to which the relative intensity calculated by the intensity calculation means belongs. A determination means for determining different braking radiation;
前記判定手段により前記相対強度が前記所定の範囲内の値であると判定されたことに応答して、前記反応領域の状態が所定の状態にあることを通知する通知手段とを有し、In response to determining that the relative intensity is a value within the predetermined range by the determination means, the notification means for notifying that the state of the reaction region is in a predetermined state,
前記判定手段による判定結果が制動輻射光であった時点の前記測定結果から順に、前記測定結果の時間進展にしたがい、反応領域のイオンの分析、原子の分析及び分子の分析を行うIn order from the measurement result when the determination result by the determination means is bremsstrahlung light, the analysis of ions in the reaction region, the analysis of atoms, and the analysis of molecules are performed in accordance with the time progress of the measurement results.
ことを特徴とする計測システム。A measurement system characterized by this.
前記光学素子により前記像点に集光された光を分光測定し、この分光測定の結果を信号として出力する分光測定手段と、Spectroscopic measurement means for spectroscopically measuring the light focused on the image point by the optical element, and outputting a result of the spectroscopic measurement as a signal;
前記分光測定手段により出力される信号を受信する反応解析装置とを備え、A reaction analyzer for receiving a signal output by the spectroscopic measurement means,
前記反応解析装置は、The reaction analyzer is
反応領域から発せられた光の分光測定手段による測定結果から、第1の波長成分の強度値及び第2の波長成分の強度値を取得する取得手段と、Acquisition means for acquiring the intensity value of the first wavelength component and the intensity value of the second wavelength component from the measurement result of the light emitted from the reaction region by the spectroscopic measurement means;
反応領域から発生された光を分光測定手段による測定結果に対し互いに他と異なる処理を行うことにより、前記反応領域の特徴に関し該処理に対応する所定の情報をそれぞれ生成する複数の解析手段と、A plurality of analyzing means each for generating predetermined information corresponding to the characteristics of the reaction area, by performing different processing on the measurement result obtained by the spectroscopic measurement means with respect to the light generated from the reaction area.
前記測定結果から2以上の波長を選択するための波長選択手段と、Wavelength selection means for selecting two or more wavelengths from the measurement results;
前記2以上の波長に属する波長の組合せを構成する各組について、一方の波長成分の強度に対する他方の波長成分の相対強度を算出する相対強度算出手段と、Relative intensity calculation means for calculating the relative intensity of the other wavelength component with respect to the intensity of one wavelength component for each set constituting a combination of wavelengths belonging to the two or more wavelengths,
波長、強度及び時間の3次元からなる前記測定結果の空間において熱励起発光、化学発光及び制動輻射光の生じている領域を判別するための判別手段と、A discriminating means for discriminating a region where thermal excitation luminescence, chemiluminescence and bremsstrahlung light are generated in the space of the measurement result consisting of three dimensions of wavelength, intensity and time;
前記判別手段による判別結果に応じて、前記複数の解析手段が処理を行う範囲を設定するための範囲設定手段とを有するA range setting unit for setting a range in which the plurality of analysis units perform processing according to a determination result by the determination unit;
ことを特徴とする計測システム。A measurement system characterized by this.
ことを特徴とする請求項8に記載の計測システム。The measurement system according to claim 8.
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