JP5357506B2 - 濃度測定方法および装置 - Google Patents
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Description
本発明は、ボイラー、ごみ焼却炉、燃焼機関の燃焼室等の密閉容器内に生じるガスや、あるいは該密閉容器から外部に排出されるガス、あるいは排出されたガスが滞留する可能性の高い場所における、ガス状物質濃度および固体粒子状物質濃度の測定方法および測定装置に関する。
従来から、ボイラー、ごみ焼却炉、燃焼機関の燃焼室等の密閉容器内に発生するガスの濃度を測定するための手法として、レーザ光を用いる技術が開発されている。このレーザ光を用いるガス濃度測定技術は、ガス種別毎に特有波長を吸収する性質を持つことを利用し、ガス雰囲気中に特定波長のレーザ光を照射して、ガス雰囲気を通過したレーザ光のスペクトルを分析することで、特定ガス種別の濃度を把握するものである。
また、測定対象中に浮遊している固体粒子状物質の濃度を測定するには、一定量のガスをサンプリングして円筒濾紙などを通過させ、通過前と通過後の円筒濾紙の重量変化を測定して、サンプリングガス量と濾紙の重量変化量から測定対象中の固体粒子状物質の濃度を測定していた。
このように、レーザ光を利用してガス濃度の検出、固体粒子状物質の濃度検出の例として、特許文献１（特開平１０−１８５８１４号公報）が知られており、該特許文献１には、測定対象に対して測定対象中のガス状物質に固有な吸収波長のレーザ光を照射して、ガス状物質濃度と固体粒子状物質との濃度を同時に測定する濃度測定装置が示されている。そこには、図９に示すように、レーザ光透過率のベースの減衰量Ａｐが固体粒子状物質による減衰量を示し、ピーク状の減衰量（吸収量）Ａｇが、ガス状物質による減衰量を示し、Ａｐから固体粒子状物質濃度が、Ａｇからガス状物質濃度を算出することが示されている。
また、特許文献２（特許第３１８５３１０号公報）には、車両走行時に排出されるスモークを検出するスモーク検出器について示されている。レーザ発光部からの出力光が排気ガスで拡散、反射される光をレーザ受光部で受けて、複数の受光部での受光状態に基づいて、黒煙、白煙、水蒸気白煙、または両白煙の混在状態を判定する技術が示されている。
しかし、前記特許文献１には、前記のように、ガス状物質濃度と固体粒子状物質との濃度を同時に測定する濃度測定装置について示されているが、固体粒子状物質は一つ値として計測することになっている。すなわち、固体粒子状物質の全体濃度を一括りとして把握できるが、固体粒子状物質には、黒煙、白煙、水蒸気等があるが、これらを分離してそれぞれを計測することまでは示されていない。
また、前記特許文献２の技術においては、固体粒子状物質の黒煙、白煙、水蒸気等を計測するだけであり、同時に排ガス濃度、例えば、ＮＨ３（アンモニア）濃度や、ＮＯＸ（窒素酸化物）濃度等の特定のガス濃度を測定することはできない。
そこで、本発明は、このような背景に鑑みてなされたものであり、ガス状物質濃度と同時に固体粒子状物質濃度とを同時に測定できるとともに、固体粒子状物質濃度のうちの黒煙、白煙、水蒸気等の複数物質について、それぞれの濃度測定を同時に簡単かつ確実にできる測定方法及び装置を提供することを課題とする。
前記課題を解決するため、第１発明は、内燃機関から排出される排ガス中のガス状物質に固有な吸収波長のレーザ光を照射して、検出された光透過率と光吸収量とから測定対象中のガス状物質濃度と固体粒子状物質濃度とを検出する濃度測定方法において、
前記吸収波長における黒煙および白煙を含む複数種の固体粒子状物質の濃度に対するレーザ光減衰量との関係をレーザ光減衰係数マップとして予め設定しておき、
測定すべきガス状物質に対して複数の吸収波長のレーザ光をそれぞれ照射し、
レーザ光を測定対象に照射する以外に測定すべきガス状物質の標準ガスが封入された参照セルに照射し、該参照セルを通過したレーザ光の強度信号と前記測定対象を通過した透過強度信号とに基づいて前記照射された複数の吸収波長λ１及びλ２のレーザ光の減衰量Ａλ１及びＡλ２を求め、
該求められた測定結果の減衰量に基づいて、前記レーザ光減衰係数マップから吸収波長λ１の黒煙に対する減衰係数a、吸収波長λ１の白煙に対する減衰係数ｂ、吸収波長λ２の黒煙に対する減衰係数ｃ、及び、吸収波長λ２の白煙に対する減衰係数ｄを求めると共に、
次式
Ａλ１＝ａＮ Ｂ ＋ｂＮ ｗ
Ａλ２＝ｃＮ Ｂ ＋ｄＮ ｗ
を解くことによって前記複数種の固体粒子状物質の濃度Ｎ Ｂ 及びＮ ｗ をそれぞれ算出することを特徴とする。
前記吸収波長における黒煙および白煙を含む複数種の固体粒子状物質の濃度に対するレーザ光減衰量との関係をレーザ光減衰係数マップとして予め設定しておき、
測定すべきガス状物質に対して複数の吸収波長のレーザ光をそれぞれ照射し、
レーザ光を測定対象に照射する以外に測定すべきガス状物質の標準ガスが封入された参照セルに照射し、該参照セルを通過したレーザ光の強度信号と前記測定対象を通過した透過強度信号とに基づいて前記照射された複数の吸収波長λ１及びλ２のレーザ光の減衰量Ａλ１及びＡλ２を求め、
該求められた測定結果の減衰量に基づいて、前記レーザ光減衰係数マップから吸収波長λ１の黒煙に対する減衰係数a、吸収波長λ１の白煙に対する減衰係数ｂ、吸収波長λ２の黒煙に対する減衰係数ｃ、及び、吸収波長λ２の白煙に対する減衰係数ｄを求めると共に、
次式
Ａλ１＝ａＮ Ｂ ＋ｂＮ ｗ
Ａλ２＝ｃＮ Ｂ ＋ｄＮ ｗ
を解くことによって前記複数種の固体粒子状物質の濃度Ｎ Ｂ 及びＮ ｗ をそれぞれ算出することを特徴とする。
また、第２発明は、第１発明の方法発明を実施するための装置発明であり、かかる第２発明は、内燃機関から排出される排ガス中のガス状物質に固有な吸収波長のレーザ光を照射して、検出された光透過率と光吸収量とから測定対象中のガス状物質濃度と固体粒子濃度とを検出する濃度測定装置において、
測定すべきガス状物質に対し吸収波長のレーザ光を照射する発光手段、および該発光手段からのレーザ光を受光する受光手段をそれぞれ複数設け、前記吸収波長における黒煙および白煙を含む複数種の固体粒子状物質の濃度に対するレーザ光減衰量との関係が予め設定されたレーザ光減衰係数マップと、レーザ光を測定対象に照射する以外に測定すべきガス状物質の標準ガスが封入された参照セルに照射し、該参照セルを通過したレーザ光の強度信号と前記測定対象を通過した透過強度信号とに基づいて前記吸収波長のレーザ光の減衰量を算出する減衰量算出手段と、該減衰量算出手段による減衰量に基づいて前記レーザ光減衰係数マップから吸収波長λ１の黒煙に対する減衰係数a、吸収波長λ１の白煙に対する減衰係数ｂ、吸収波長λ２の黒煙に対する減衰係数ｃ、及び、吸収波長λ２の白煙に対する減衰係数ｄを求め、
次式
Ａλ１＝ａＮ Ｂ ＋ｂＮ ｗ
Ａλ２＝ｃＮ Ｂ ＋ｄＮ ｗ
を解くことによって前記複数種の固体粒子の濃度Ｎ Ｂ 及びＮ ｗ をそれぞれ算出する固体粒子濃度算出手段と、を備えたことを特徴とする。
測定すべきガス状物質に対し吸収波長のレーザ光を照射する発光手段、および該発光手段からのレーザ光を受光する受光手段をそれぞれ複数設け、前記吸収波長における黒煙および白煙を含む複数種の固体粒子状物質の濃度に対するレーザ光減衰量との関係が予め設定されたレーザ光減衰係数マップと、レーザ光を測定対象に照射する以外に測定すべきガス状物質の標準ガスが封入された参照セルに照射し、該参照セルを通過したレーザ光の強度信号と前記測定対象を通過した透過強度信号とに基づいて前記吸収波長のレーザ光の減衰量を算出する減衰量算出手段と、該減衰量算出手段による減衰量に基づいて前記レーザ光減衰係数マップから吸収波長λ１の黒煙に対する減衰係数a、吸収波長λ１の白煙に対する減衰係数ｂ、吸収波長λ２の黒煙に対する減衰係数ｃ、及び、吸収波長λ２の白煙に対する減衰係数ｄを求め、
次式
Ａλ１＝ａＮ Ｂ ＋ｂＮ ｗ
Ａλ２＝ｃＮ Ｂ ＋ｄＮ ｗ
を解くことによって前記複数種の固体粒子の濃度Ｎ Ｂ 及びＮ ｗ をそれぞれ算出する固体粒子濃度算出手段と、を備えたことを特徴とする。
かかる第１および第２発明によれば、測定対象に対して測定すべき測定ガス状物質の吸収波長のレーザ光を複数照射するとともに、予め、前記各吸収波長における黒煙および白煙を含む複数種の固体粒子状物質に対するレーザ光減衰係数を求めておき、レーザ光減衰係数マップに設定しておく。そして、照射した複数の吸収波長のレーザ光に対する減衰量をそれぞれ測定して、その測定結果からの減衰量と、前記レーザ光減衰係数マップを用いての減衰量とを対比して黒煙、白煙等の固体粒子状物質の濃度を算出することができる。
具体的には、例えばＣＯのガス濃度を測定するための吸収波長がλ１のレーザ光であり、例えばＮＨ３のガス濃度を測定するための吸収波長がλ２のレーザ光であるとすると、波長λ１の黒煙に対する減衰係数ａと、白煙に対する減衰係数ｂとを予め求めておき、さらに波長λ２の黒煙に対する減衰係数ｃと、白煙に対する減衰係数ｄとを求めておく。なおこれら減衰係数は、図４、図５に示す特性関係を有したレーザ光減衰係数マップに設定されている。
そして、波長λ１のレーザ光減衰量Ａλ１と、波長λ２のレーザ光減衰量Ａλ２は、次の式（１）、（２）のように黒煙濃度（ＮＢ）による減衰量と、白煙濃度（ＮＷ）による減衰量の和として表すことができる。
Ａλ１＝ａＮＢ＋ｂＮＷ （１）
Ａλ２＝ｃＮＢ＋ｄＮＷ （２）
そして、式（１）、（２）の連立方程式を、ＮＢ黒煙濃度、ＮＷ白煙濃度について解くことによって、それぞれの濃度を算出できる。なお、波長λ１のレーザ光減衰量Ａλ１と、波長λ２のレーザ光減衰量Ａλ２は、それぞれ受光部からの受光強度信号を基に算出した減衰量である。
Ａλ１＝ａＮＢ＋ｂＮＷ （１）
Ａλ２＝ｃＮＢ＋ｄＮＷ （２）
そして、式（１）、（２）の連立方程式を、ＮＢ黒煙濃度、ＮＷ白煙濃度について解くことによって、それぞれの濃度を算出できる。なお、波長λ１のレーザ光減衰量Ａλ１と、波長λ２のレーザ光減衰量Ａλ２は、それぞれ受光部からの受光強度信号を基に算出した減衰量である。
すなわち、かかる第１および第２発明によれば、波長の異なる複数のレーザ光を照射し、それぞれの波長のレーザ光の減衰量から、その複数の固体粒子状物質の濃度を同時に簡単かつ確実に算出できる。
また、第１発明では、レーザ光を測定対象に照射する以外に測定すべきガス状物質の標準ガスが封入された参照セルに照射し、該参照セルを通過したレーザ光の強度信号と前記測定対象を通過した透過強度信号とに基づいて前記測定結果の減衰量を求める。
また、第２発明では、前記減衰量算出手段は、レーザ光を測定対象に照射する以外に測定すべきガス状物質の標準ガスが封入された参照セルに照射し、該参照セルを通過したレーザ光の強度信号と前記測定対象を通過した透過強度信号とに基づいて前記吸収波長のレーザ光の減衰量を算出する。
また、第２発明では、前記減衰量算出手段は、レーザ光を測定対象に照射する以外に測定すべきガス状物質の標準ガスが封入された参照セルに照射し、該参照セルを通過したレーザ光の強度信号と前記測定対象を通過した透過強度信号とに基づいて前記吸収波長のレーザ光の減衰量を算出する。
かかる構成によると、吸収波長のレーザ光の減衰量を、標準ガスが封入された参照セルを通過したレーザ光の強度信号と、測定対象を通過した透過強度信号とに基づいて算出するので、レーザ発信強度の変動にも影響を受けない計測が可能となる。
また、第１発明において好ましくは、レーザ光を測定対象に照射する以外に測定すべきガス状物質の標準ガスが封入された参照セルに照射し、該参照セルを通過したレーザ光の受信信号に基づいて、参照セルに封入したガスの吸収波長に前記レーザ光の波長をロックするように構成するとよい。
また、第２発明において好ましくは、前記発光手段からのレーザ光を測定対象に照射する以外に測定すべきガス状物質の標準ガスが封入された参照セルに照射し、該参照セルを通過したレーザ光の受信信号に基づいて、参照セルに封入したガスの吸収波長にレーザ光の波長をロックするとよい。
また、第２発明において好ましくは、前記発光手段からのレーザ光を測定対象に照射する以外に測定すべきガス状物質の標準ガスが封入された参照セルに照射し、該参照セルを通過したレーザ光の受信信号に基づいて、参照セルに封入したガスの吸収波長にレーザ光の波長をロックするとよい。
かかる構成によると、参照セルに封入した標準ガスの吸収波長にレーザ光の波長をロックすることで、発光手段からのレーザ光の波長のずれがなく、波長ずれによる測定精度の低下を抑制できる。
また、第１発明において好ましくは、波長変調手段および復調手段を備え、前記測定すべきガス状物質に対する吸収波長のレーザ光を複数照射し、それぞれの吸収波長におけるガス状物質の吸収量によって前記ガス状物質の濃度を測定するとよい。
また、第２発明において好ましくは、波長変調手段および復調手段を備え、前記測定すべきガス状物質に対する吸収波長のレーザ光を前記発光手段によって複数照射し、それぞれの吸収波長におけるガス状物質の吸収量によって前記ガス状物質の濃度を測定するガス状物質濃度算出手段を備えるとよい。
かかる構成によれば、複数種類のガス状物質の濃度を同時に測定できる。すなわち、黒煙、白煙、水蒸気党の複数の固体粒子状物質濃度を測定できると共に、同時に複数種類のガス状物質の濃度を測定できるようになり、排ガス濃度の分析効率が向上する。
また、第２発明において好ましくは、波長変調手段および復調手段を備え、前記測定すべきガス状物質に対する吸収波長のレーザ光を前記発光手段によって複数照射し、それぞれの吸収波長におけるガス状物質の吸収量によって前記ガス状物質の濃度を測定するガス状物質濃度算出手段を備えるとよい。
かかる構成によれば、複数種類のガス状物質の濃度を同時に測定できる。すなわち、黒煙、白煙、水蒸気党の複数の固体粒子状物質濃度を測定できると共に、同時に複数種類のガス状物質の濃度を測定できるようになり、排ガス濃度の分析効率が向上する。
本発明によれば、ボイラー、ごみ焼却炉、燃焼機関の燃焼室等の密閉容器内に発生するガス、あるいは該密閉容器から外部に排出されるガス等のガス状物質濃度と同時に固体粒子状物質濃度とを同時に測定できるとともに、固体粒子状物質濃度のうちの黒煙、白煙、水蒸気等の複数物質について、それぞれの濃度測定を同時に簡単かつ確実にできる測定方法及び装置を提供することができる。
以下、図面を参照して本発明の好適な実施の形態を例示的に詳しく説明する。但しこの実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る濃度測定装置３をディーゼルエンジン（エンジン）５の排ガス濃度測定に用いた例を示す。
エンジン５の排気通路７には、複数のレーザ光、ここでは２つのレーザ光が排気通路７を横切って照射されるように計測センサ部９が取り付けられ、該計測センサ部９は発光側のコリメータ（光学レンズ）１１ａ、１１ｂ、および受光側のコリメータ（光学レンズ）１３ａ、１３ｂによって構成されている。
図１は、本発明の第１実施形態に係る濃度測定装置３をディーゼルエンジン（エンジン）５の排ガス濃度測定に用いた例を示す。
エンジン５の排気通路７には、複数のレーザ光、ここでは２つのレーザ光が排気通路７を横切って照射されるように計測センサ部９が取り付けられ、該計測センサ部９は発光側のコリメータ（光学レンズ）１１ａ、１１ｂ、および受光側のコリメータ（光学レンズ）１３ａ、１３ｂによって構成されている。
濃度測定装置３の第１発光部（発光手段）１５ａ、第２発光部（発光手段）１５ｂからのレーザ光は光ファイバ１７を用いて計測センサ部９に搬送され、該計測センサ部９によって照射されたレーザ光は排ガスを透過した後、第１受光部（受光手段）１９ａと第２受光部（受光手段）１９ｂで受光信号に変換されてケーブル２１によって解析装置２３に入力され濃度解析されるようになっている。また、波長変調手段２５、復調手段２７が設けられるとともに、解析装置２３には、レーザ光減衰係数マップ２９、減衰量算出手段３１、固体粒子濃度算出手段３３、ガス状物質濃度算出手段３５を有している。
図２に示すように、発光源は波長λ１のレーザ光を発光する第１発光部１５ａと波長λ２のレーザ光を発光する第２発光部１５ｂからなり、第１発光部１５ａ、第２発光部１５ｂはそれぞれ、レーザ光を発振するための半導体レーザダイオードＬＤ１、ＬＤ２を有し、それぞれＬＤドライバの第１駆動回路、第２駆動回路に接続されてＬＤ１、ＬＤ２の駆動電流が制御される。
また、第１発光部１５ａの第１駆動回路には、第１波長変調手段３７から第１変調信号ｆ１、第１波長ロック信号ｗ１がそれぞれ印可され、第２発光部１５ｂの第２駆動回路には、第２波長変調手段３９から第２変調信号ｆ２、第２波長ロック信号ｗ２がそれぞれ印可される。
また、第１発光部１５ａの第１駆動回路には、第１波長変調手段３７から第１変調信号ｆ１、第１波長ロック信号ｗ１がそれぞれ印可され、第２発光部１５ｂの第２駆動回路には、第２波長変調手段３９から第２変調信号ｆ２、第２波長ロック信号ｗ２がそれぞれ印可される。
この変調信号ｆ１、ｆ２は、レーザ光に対して周波数変調を施すために印可する信号であり、また、変調信号ｆ１、ｆ２はそれぞれ、変調信号ｆ１、ｆ２と同期する信号を取り出すために第１復調手段４１、第２復調手段４３にもそれぞれ印可されている。
計測センサ部９の受光側で受光したレーザ光は、それぞれ第１受光部１９ａ、第２受光部１９ｂで受光し強度信号を出力する。この第１受光部１９ａ、第２受光部１９ｂは、それぞれ受光したレーザ光を電気信号に変換するフォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２と変換された電気信号から増幅するプリアンプとから構成されている。第１受光部１９ａ、第２受光部１９ｂで受光し出力された強度信号は、図示しない直流成分検出器と交流成分検出器とによってそれぞれ分けられて、直流成分は、図９に示すレーザ光透過率のベースの減衰量Ａｐを表し、固体粒子状物質による減衰量を示している。そして、この直流成分の信号は透過強度信号Ｉ１Ｉ２として解析装置２３に入力される。
一方、第１発光部１５ａから発光されたレーザ光は分波器で分波されて第１参照セル４５へと導かれ、第１参照セル４５に封入された一定圧力の既知の標準ガス内を流通させて、第３受光部４７によって受光し、該第３受光部４７による受光信号が第１復調手段４１に入力される。また、第１復調手段４１には第１波長変調手段３７から第１変調信号ｆ１が入力されて、受光信号から第１変調信号ｆ１と同期する信号が取り出され、第１参照セル４５内のガス種類の正確な吸収波長が検出される。そして第１発光部１５ａのＬＤ１がこの吸収波長を発振するように第１波長ロック信号ｗ１が第１発光部１５ａの駆動回路に出力される。
また、第２発光部１５ｂから分波して第２参照セル４９に導かれたレーザ光に対しても同様であり、第４受光手段５１による受光信号が第２復調手段４３に入力されるとともに、第２復調手段４３には第２波長変調手段３９から第２変調信号ｆ２が入力されて、受光信号から第２変調信号ｆ２と同期する信号が取り出され、第２波長ロック信号ｗ２として、第２発光部１５ｂのＬＤ２の駆動回路に入力される。
なお、第１参照セル４５には測定しようとするガス種類として例えば、ＣＯの標準ガスが封入され、また、第２参照セル４９には他の測定しようとするガス種類、例えば、ＮＨ３の標準ガスが封入され、第１参照セル４５によって正確な吸収波長λ１が検出され、第２参照セル４９によって正確な吸収波長λ２が検出され、波長ロック信号ｗ１、ｗ２が出力される。この波長ロック信号とレーザ波長との関係を図３に示す。波長制御範囲内で変調される。
また、第３受光部４７による受光信号の強度は、入射強度信号Ｉ０１、Ｉ０２として解析装置２３に入力される。
この解析装置２３では、次のように濃度解析が行われる。
図４、図５に示すようなレーザ光減衰係数マップ２９が設けられ、図４は黒煙に対するレーザ光減衰係数マップであり、例えばＣＯのガス濃度を測定するための吸収波長がλ１のレーザ光の黒煙に対する減衰係数ａと、波長λ２の黒煙に対する減衰係数ｃとが図示のように一次関数的な関係で設定されている。
また、図５は白煙に対するレーザ光減衰係数マップであり、例えばＣＯのガス濃度を測定するための変調中心波長がλ１のレーザ光の白煙に対する減衰係数ｂと、波長λ２の白煙に対する減衰係数ｄとが図示のように一次関数的な関係で設定されている。
この解析装置２３では、次のように濃度解析が行われる。
図４、図５に示すようなレーザ光減衰係数マップ２９が設けられ、図４は黒煙に対するレーザ光減衰係数マップであり、例えばＣＯのガス濃度を測定するための吸収波長がλ１のレーザ光の黒煙に対する減衰係数ａと、波長λ２の黒煙に対する減衰係数ｃとが図示のように一次関数的な関係で設定されている。
また、図５は白煙に対するレーザ光減衰係数マップであり、例えばＣＯのガス濃度を測定するための変調中心波長がλ１のレーザ光の白煙に対する減衰係数ｂと、波長λ２の白煙に対する減衰係数ｄとが図示のように一次関数的な関係で設定されている。
そして、波長λ１のレーザ光減衰量Ａλ１と、波長λ２のレーザ光減衰量Ａλ２は、次の式（１）、（２）のように黒煙濃度（ＮＢ）による減衰量と、白煙濃度（ＮＷ）による減衰量との和として表すことができる。なお、ＮＢは黒煙濃度、ＮＷは白煙濃度を示す。
Ａλ１＝ａＮＢ＋ｂＮＷ （１）
Ａλ２＝ｃＮＢ＋ｄＮＷ （２）
そして、式（１）、（２）の連立方程式を、ＮＢ黒煙濃度、ＮＷ白煙濃度について解くことによって、それぞれの濃度を算出できる。
Ａλ１＝ａＮＢ＋ｂＮＷ （１）
Ａλ２＝ｃＮＢ＋ｄＮＷ （２）
そして、式（１）、（２）の連立方程式を、ＮＢ黒煙濃度、ＮＷ白煙濃度について解くことによって、それぞれの濃度を算出できる。
波長λ１のレーザ光減衰量Ａλ１と、波長λ２のレーザ光減衰量Ａλ２は、それぞれ、減衰量算出手段３１によって算出され、該減衰量算出手段３１では、第３受光部４７の受光強度を示す入射強度信号Ｉ０１、Ｉ０２と、第１受光部１９ａの受光強度を示す透過強度信号Ｉ１、Ｉ２とを用いて、Ａλ１＝−Ｌｏｇ（Ｉ１／Ｉ０１）として算出し、Ａλ２についても同様に、Ａλ２＝−Ｌｏｇ（Ｉ２／Ｉ０２）として算出する。すなわち、減衰量算出手段３１によって算出される減衰量Ａλ１、Ａλ２は、実際に測定された受光強度信号に基づいて算出される。
なお、前記式（１）、式（２）を用いてＮＢ黒煙濃度、ＮＷ白煙濃度の算出は、解析装置２３に設けられた固体粒子濃度算出手段３３によって行われる。
なお、前記式（１）、式（２）を用いてＮＢ黒煙濃度、ＮＷ白煙濃度の算出は、解析装置２３に設けられた固体粒子濃度算出手段３３によって行われる。
さらに、水蒸気の固体粒子状物質の濃度について求める場合には、前記黒煙と白煙の２種類の場合の算出方法と同様に、予め波長λ１、λ２、λ３（例えばＮＯｘの吸収波長）に対する、黒煙、白煙、水蒸気のそれぞれの減衰係数を予め設定しておき、式（１）、（２）にさらに水蒸気濃度（ＮＳ）を加えた次の式（３）〜（５）で表すことができる。
Ａλ１＝ａＮＢ＋ｂＮＷ＋ｅＮＳ （３）
Ａλ２＝ｃＮＢ＋ｄＮＷ＋ｆＮＳ （４）
Ａλ３＝ｇＮＢ＋ｈＮＷ＋ｉＮＳ
（５）
そして、式（３）〜（５）の連立方程式をＮＢ黒煙濃度、ＮＷ白煙濃度、ＮＳ水蒸気濃度について解くことによって、それぞれの濃度を算出できる。
なお、ｅは波長λ３の測定ガスの黒煙濃度と光減衰量との関係を示す減衰係数。ｆは波長λ３の測定ガスの白煙濃度と光減衰量との関係を示す減衰係数。ｇは波長λ１の測定ガスの水蒸気に対する減衰係数、ｈは波長λ２の測定ガスの水蒸気に対する減衰係数、ｉは波長λ３の測定ガスの水蒸気に対する減衰係数をそれぞれ示す。
Ａλ１＝ａＮＢ＋ｂＮＷ＋ｅＮＳ （３）
Ａλ２＝ｃＮＢ＋ｄＮＷ＋ｆＮＳ （４）
Ａλ３＝ｇＮＢ＋ｈＮＷ＋ｉＮＳ
（５）
そして、式（３）〜（５）の連立方程式をＮＢ黒煙濃度、ＮＷ白煙濃度、ＮＳ水蒸気濃度について解くことによって、それぞれの濃度を算出できる。
なお、ｅは波長λ３の測定ガスの黒煙濃度と光減衰量との関係を示す減衰係数。ｆは波長λ３の測定ガスの白煙濃度と光減衰量との関係を示す減衰係数。ｇは波長λ１の測定ガスの水蒸気に対する減衰係数、ｈは波長λ２の測定ガスの水蒸気に対する減衰係数、ｉは波長λ３の測定ガスの水蒸気に対する減衰係数をそれぞれ示す。
以上のように、第１実施形態によると、測定対象のガス状物質の吸収波長λ１、λ２のレーザ光を複数照射するとともに、予め、前記各吸収波長における黒煙および白煙を含む複数種の固体粒子状物質に対するレーザ光減衰係数を求めてレーザ光減衰係数マップ２９に設定しておく。そして、照射した複数の吸収波長のレーザ光に対する減衰量Ａλ１、Ａλ２をそれぞれ測定して、その測定結果からの減衰量と、前記レーザ光減衰係数マップ２９から算出したレーザ光減衰係数を用いて表した黒煙、白煙等の固体粒子状物質の濃度から算出したレーザ光の減衰量とを用いることで、黒煙、白煙等の固体粒子状物質の濃度をそれぞれ簡単かつ確実に算出することができる。
また、測定すべきガス状物質の標準ガスが封入された第１、第２参照セル４５、４９に照射して、該参照セル４５、４９を通過したレーザ光の強度信号をそれぞれ入射強度信号Ｉ０１、Ｉ０２として算出し、また測定対象を通過したそれぞれのレーザ光の強度信号を透過強度信号Ｉ１、Ｉ２として算出し、これら入射強度信号Ｉ０１、Ｉ０２と透過強度信号Ｉ１、Ｉ２とに基づいて吸収波長のレーザ光の減衰量を算出するので、レーザ発振強度の変動に影響を受けない計測が可能となる。
また、レーザ光を測定対象に照射する以外に測定すべきガス状物質の標準ガスが封入された第１、第２参照セル４５、４９に照射し、該参照セル４５、４９を通過したレーザ光の受信信号に基づいて、参照セルに封入したガスの吸収波長に第１発光部１５ａ、第２発光部１５ｂのレーザ光の波長をロックするので、すなわち、参照セル４５、４９に封入した標準ガスの吸収波長λ１、λ２にレーザ光の波長をロックするので、第１発光部１５ａ、第２発光部１５ｂからのレーザ光の波長ずれがなく、波長ずれによる測定精度の低下を抑制できる。
また、本実施形態による黒煙濃度の測定結果を、従来のガスサンプリングによる計測方法と比較すると、図６のように特にＡ領域に示すように、従来装置の計測では、計測での応答遅れや、現象緩和化が発生しているのに対して、本実施形態では応答性よく濃度検出が可能となったことが確認された。
（第２実施形態）
次に、図７、８を参照して第２実施形態について説明する。
第２実施形態は、第１実施形態の固体粒子状物質の濃度の測定に加えて、同時に複数種類のガス状物質の濃度を測定できるようにしたものである。第１実施形態と同一構成については同一符号を付して説明を省略する。
次に、図７、８を参照して第２実施形態について説明する。
第２実施形態は、第１実施形態の固体粒子状物質の濃度の測定に加えて、同時に複数種類のガス状物質の濃度を測定できるようにしたものである。第１実施形態と同一構成については同一符号を付して説明を省略する。
図７の全体構成図は、第１実施形態の図２の全体構成図に対応するもので、第１実施形態に対して、第３復調手段５５と第４復調手段５７とガス状物質濃度算出手段３５とをさらに設けたものである。
この第３復調手段５５は、第１受光部１９ａで受光した強度信号は、図示しない直流成分検出器と交流成分検出器とによってそれぞれ分けられて、直流成分は、第１実施形態で説明したように、図９のレーザ光透過率のベースの減衰量Ａｐを表し、固体粒子状物質による減衰量の算出に用いられる。交流成分は第３復調手段５５によって第１波長変調手段３７からの第１変調信号ｆ１に同期する信号が取り出されて、フィルタによるノイズ除去されて、復調信号にピーク状に表れる吸収信号の大きさによってガス濃度が検出される。図９に示すように、ピーク状の減衰量（吸収量）Ａｇが、ガス状物質による減衰量を示し、このＡｇからガス状物質濃度を算出することができる。
この第３復調手段５５は、第１受光部１９ａで受光した強度信号は、図示しない直流成分検出器と交流成分検出器とによってそれぞれ分けられて、直流成分は、第１実施形態で説明したように、図９のレーザ光透過率のベースの減衰量Ａｐを表し、固体粒子状物質による減衰量の算出に用いられる。交流成分は第３復調手段５５によって第１波長変調手段３７からの第１変調信号ｆ１に同期する信号が取り出されて、フィルタによるノイズ除去されて、復調信号にピーク状に表れる吸収信号の大きさによってガス濃度が検出される。図９に示すように、ピーク状の減衰量（吸収量）Ａｇが、ガス状物質による減衰量を示し、このＡｇからガス状物質濃度を算出することができる。
前記第３復調手段５５によって得られたピーク信号Ａ１と、第１受光部１９ａの受信強度の透過強度信号Ｉ１とによって、波長λ１の吸収波長のガス濃度Ｎｇ１が、Ｎｇ１＝α１×Ａ１／Ｉ１によって算出できる。
また、波長λ２の吸収波長のガス濃度Ｎｇ２についても、Ｎｇ２＝α２×Ａ２／Ｉ２によって算出できる。α１、α２は比例常数である。なお、これらガス濃度の算出は解析装置２３のガス状物質濃度算出手段３５によって行われる。
また、波長λ２の吸収波長のガス濃度Ｎｇ２についても、Ｎｇ２＝α２×Ａ２／Ｉ２によって算出できる。α１、α２は比例常数である。なお、これらガス濃度の算出は解析装置２３のガス状物質濃度算出手段３５によって行われる。
第２実施形態によれば、２種類のガス状物質（ＣＯ、ＮＨ３）の濃度を測定できる。すなわち、黒煙、白煙の複数の固体粒子状物質濃度を測定できると共に、同時に２種類のガス状物質の濃度を測定できるようになり、ディーゼルエンジン５の排ガス濃度の分析効率が向上する。
さらに、２種類のガス状物質（例えばＣＯ、ＮＨ３）の濃度だけではなく、３種類（例えばＣＯ、ＮＨ３、ＮＯｘ）とすれば、ガス状物質の濃度測定と同時に黒煙、白煙、水蒸気の複数の固体粒子状物質濃度をも測定できるので、排ガス濃度の測定効率が一層向上する。
なお、２種類、３種類のガス状物質に限らず、必要に応じてさらに多くのガス状物質の濃度と、同時に複数種類の固体粒子状物質濃度を測定できることは勿論である。
なお、２種類、３種類のガス状物質に限らず、必要に応じてさらに多くのガス状物質の濃度と、同時に複数種類の固体粒子状物質濃度を測定できることは勿論である。
また、第１、２実施形態では、光源として半導体レーザダイオードを例に説明したが、その他の波長変調、振幅変調可能なレーザ発振器に適用可能である。
本発明によれば、本発明によれば、ボイラー、ごみ焼却炉、燃焼機関の燃焼室等の密閉容器内に発生するガス、あるいは該密閉容器から外部に排出されるガス等のガス状物質濃度と同時に固体粒子状物質濃度とを同時に測定できるとともに、固体粒子状物質濃度のうちの黒煙、白煙、水蒸気等の複数物質について、それぞれの濃度測定を同時に簡単かつ確実にできるので、濃度測定方法及び装置への適用に際して有益である。
３ 濃度測定装置
５ ディーゼルエンジン（エンジン）
７ 排気通路
９ 計測センサ部
１５ａ 第１発光部（発光手段）
１５ｂ 第２発光部（発光手段）
１９ａ 第１受光部（受光手段）
１９ｂ 第２受光部（受光手段）
２３ 解析装置
２５ 波長変調手段
２７ 復調手段
２９ レーザ光減衰係数マップ
３１ 減衰量算出手段
３３ 固体粒子濃度算出手段
３５ ガス状物質濃度算出手段
４５ 第１参照セル
４９ 第２参照セル
ｆ１ 第１変調信号
ｆ２ 第２変調信号
ｗ１ 第１波長ロック信号
ｗ２ 第２波長ロック信号
５ ディーゼルエンジン（エンジン）
７ 排気通路
９ 計測センサ部
１５ａ 第１発光部（発光手段）
１５ｂ 第２発光部（発光手段）
１９ａ 第１受光部（受光手段）
１９ｂ 第２受光部（受光手段）
２３ 解析装置
２５ 波長変調手段
２７ 復調手段
２９ レーザ光減衰係数マップ
３１ 減衰量算出手段
３３ 固体粒子濃度算出手段
３５ ガス状物質濃度算出手段
４５ 第１参照セル
４９ 第２参照セル
ｆ１ 第１変調信号
ｆ２ 第２変調信号
ｗ１ 第１波長ロック信号
ｗ２ 第２波長ロック信号
Claims (6)
- 内燃機関から排出される排ガス中のガス状物質に固有な吸収波長のレーザ光を照射して、検出された光透過率と光吸収量とから測定対象中のガス状物質濃度と固体粒子状物質濃度とを検出する濃度測定方法において、
前記吸収波長における黒煙および白煙を含む複数種の固体粒子状物質の濃度に対するレーザ光減衰量との関係をレーザ光減衰係数マップとして予め設定しておき、
測定すべきガス状物質に対して複数の吸収波長のレーザ光をそれぞれ照射し、
レーザ光を測定対象に照射する以外に測定すべきガス状物質の標準ガスが封入された参照セルに照射し、該参照セルを通過したレーザ光の強度信号と前記測定対象を通過した透過強度信号とに基づいて前記照射された複数の吸収波長λ１及びλ２のレーザ光の減衰量Ａλ１及びＡλ２を求め、
該求められた測定結果の減衰量に基づいて、前記レーザ光減衰係数マップから吸収波長λ１の黒煙に対する減衰係数a、吸収波長λ１の白煙に対する減衰係数ｂ、吸収波長λ２の黒煙に対する減衰係数ｃ、及び、吸収波長λ２の白煙に対する減衰係数ｄを求めると共に、
次式
Ａλ１＝ａＮ Ｂ ＋ｂＮ ｗ
Ａλ２＝ｃＮ Ｂ ＋ｄＮ ｗ
を解くことによって前記複数種の固体粒子状物質の濃度Ｎ Ｂ 及びＮ ｗ をそれぞれ算出することを特徴とする濃度測定方法。 - レーザ光を測定対象に照射する以外に測定すべきガス状物質の標準ガスが封入された参照セルに照射し、該参照セルを通過したレーザ光の受信信号に基づいて、参照セルに封入したガスの吸収波長に前記レーザ光の波長をロックするように構成したことを特徴とする請求項１記載の濃度測定方法。
- 波長変調手段および復調手段を備え、前記測定すべきガス状物質に対する吸収波長のレーザ光を複数照射し、それぞれの吸収波長におけるガス状物質の吸収量によって前記ガス状物質の濃度を測定することを特徴とする請求項１記載の濃度測定方法。
- 内燃機関から排出される排ガス中のガス状物質に固有な吸収波長のレーザ光を照射して、検出された光透過率と光吸収量とから測定対象中のガス状物質濃度と固体粒子濃度とを検出する濃度測定装置において、
測定すべきガス状物質に対し吸収波長のレーザ光を照射する発光手段、および該発光手段からのレーザ光を受光する受光手段をそれぞれ複数設け、前記吸収波長における黒煙および白煙を含む複数種の固体粒子状物質の濃度に対するレーザ光減衰量との関係が予め設定されたレーザ光減衰係数マップと、レーザ光を測定対象に照射する以外に測定すべきガス状物質の標準ガスが封入された参照セルに照射し、該参照セルを通過したレーザ光の強度信号と前記測定対象を通過した透過強度信号とに基づいて前記吸収波長のレーザ光の減衰量を算出する減衰量算出手段と、該減衰量算出手段による減衰量に基づいて前記レーザ光減衰係数マップから吸収波長λ１の黒煙に対する減衰係数a、吸収波長λ１の白煙に対する減衰係数ｂ、吸収波長λ２の黒煙に対する減衰係数ｃ、及び、吸収波長λ２の白煙に対する減衰係数ｄを求め、
次式
Ａλ１＝ａＮ Ｂ ＋ｂＮ ｗ
Ａλ２＝ｃＮ Ｂ ＋ｄＮ ｗ
を解くことによって前記複数種の固体粒子の濃度Ｎ Ｂ 及びＮ ｗ をそれぞれ算出する固体粒子濃度算出手段と、を備えたことを特徴とする濃度測定装置。 - 前記発光手段からのレーザ光を測定対象に照射する以外に測定すべきガス状物質の標準ガスが封入された参照セルに照射し、該参照セルを通過したレーザ光の受信信号に基づいて、参照セルに封入したガスの吸収波長にレーザ光の波長をロックするように構成したことを特徴とする請求項４記載の濃度測定装置。
- 波長変調手段および復調手段を備え、前記測定すべきガス状物質に対する吸収波長のレーザ光を前記発光手段によって複数照射し、それぞれの吸収波長におけるガス状物質の吸収量によって前記ガス状物質の濃度を測定するガス状物質濃度算出手段を備えたことを特徴とする請求項４記載の濃度測定装置。
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