JP5606056B2 - ガス計測セル及びこれを用いたガス濃度計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、管路内を流れるガスに含まれる物質の濃度の計測に用いるガス計測セル及びこれを用いたガス濃度計測装置に関する。

管路内を流れるガス（主に排ガス）に含まれる特定物質の濃度計測方法として、管路の所定経路に、レーザ光を通過させ、その入出力から測定対象の特定物質の濃度を計測する方法がある。

例えば、本件出願人が出願した特許文献１には、測定対象とされるガス状物質に固有な吸収波長のレーザ光を発振する光源と、この光源から発振されるレーザ光の発振波長を少なくとも２つの異なる周波数で変調する手段と、この変調手段により変調されたレーザ光を前記ガス状物質が存在する測定領域に導く手段と、この測定領域において透過または反射または散乱したレーザ光を受光する受光手段と、この受光手段で受光した信号の中から変調された信号を周波数毎に順次それぞれ復調する複数の位相敏感検波器と、を具備することを特徴とするガス濃度計測装置が記載されている。

特開２００１−７４６５３号公報

特許文献１に記載されているように、測定対象の物質の固有な吸収波長のレーザ光を透過させ、出力したレーザ光の強度と、通過したレーザ光の強度から測定対象のガスの濃度を検出することができる。また、このような計測は、ガスが流れる配管に計測セルを設け、この計測セルにレーザ光を入出力させることで行われる。ここで、このように、測定対象のガスが流れる経路（配管等）にレーザ光を透過させる測定方式では、測定結果にノイズが発生し、測定誤差が生じることがある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、測定誤差を少なくすることができるガス計測セル及びそれを用いたガス濃度計測装置を提供することを課題とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、両端が開放され、それぞれ排ガスを流す流路と連結可能な主管と、前記主管に連結し、前記主管と連結している側と反対側の端部に光が通過可能な窓部が形成された入射管と、前記主管に連結し、前記主管と連結している側と反対側の端部に光が通過可能な窓部が形成された出射管と、前記入射管と連結された第１パージガス供給管と、を有し、前記入射管は、前記窓部の端部の開口面積よりも前記主管と連結している側の端部の開口面積の方が大きいことを特徴とする。

これにより、窓部が汚れるのを抑制しつつ、主管と入射管との境界付近で発生する測定光の揺らぎを抑制することができ、ノイズを小さくし、測定誤差を少なくすることができる。

ここで、前記入射管は、開口に垂直な方向の断面が直線となる形状であることが好ましい。これにより、入射管が流れる空気に乱れが発生することを抑制することができ、測定誤差を少なくすることができる。

また、前記入射管は、開口面積が異なる２つの管状部材を直列で連結させた形状であることも好ましい。この形状としても、測定誤差を少なくすることができる。

さらに、前記出射管と連結された第２パージガス供給管を有し、前記出射管は、前記窓部の端部の開口面積よりも前記主管と連結している側の端部の開口面積の方が大きいことが好ましい。これにより、出射管側でも窓部が汚れるのを抑制しつつ、主管と入射管との境界付近で発生する測定光の揺らぎを抑制することができ、測定誤差をより少なくすることができる。

また、前記出射管は、前記入射管と同一形状であることが好ましい。同一形状とすることで、測定を安定させることができ、また同じ部材を用いることができるため、作製を簡単にすることができる。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、上記のいずれかに記載のガス計測セルと、前記ガス計測セルのパージガス供給管にパージガスを供給するパージガス供給部と、前記ガス計測セルにレーザ光を入射させる発光部と、前記発光部から入射され、前記ガス計測セルを通過したレーザ光を受光する受光部と、前記発光部から出力したレーザ光の強度と、前記受光部で受光したレーザ光の強度とに基づいて、前記ガス計測セルを流れる排ガスの測定対象の物質の濃度を算出する算出部と、各部の動作を制御する制御部と、を有することを特徴とする。

これにより、少ない測定誤差で測定対象の物質の濃度を計測することができる。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、両端が開放され、それぞれ排ガスを流す流路と連結可能な主管、前記主管に連結し、前記主管と連結している側と反対側の端部に光が通過可能な窓部が形成された入射管、前記主管に連結し、前記主管と連結している側と反対側の端部に光が通過可能な窓部が形成された出射管、前記入射管と連結された第１パージガス供給管とで構成されたガス計測セルと、前記ガス計測セルの前記第１パージガス供給管にパージガスを供給するパージガス供給部と、前記ガス計測セルにレーザ光を入射させる発光部と、前記発光部から入射され、前記ガス計測セルを通過したレーザ光を受光する受光部と、前記発光部から出力したレーザ光の強度と、前記受光部で受光したレーザ光の強度とに基づいて、前記ガス計測セルを流れる排ガスの測定対象の物質の濃度を算出する算出部と、各部の動作を制御する制御部と、を有し、前記パージガス供給部は、前記パージガスを加熱する加熱機構を備えることを特徴とする。

これにより、第１パージガス供給管を流れるパージガスも加熱することができ、パージガスと主管を流れる排ガスとの温度差を小さくすることができ、ノイズを小さくし、少ない測定誤差で測定対象の物質の濃度を計測することができる。

また、前記加熱機構は、前記パージガスが通る配管を加熱するヒータであることが好ましい。ヒータを用いることで、好適にパージガスの温度を調整することができる。

また、前記加熱機構は、前記パージガスが通る配管の少なくとも一部が前記主管の内部を通過する構成とすることが好ましい。これにより、主管の内部を流れる排ガスによりパージガスを加熱することができ、排ガスとパージガスとの温度を自動的に近づけることができる。

さらに、前記出射管と連結された第２パージガス供給管を有し、前記パージガス供給部は、第２パージガス供給管にもパージガスを供給することが好ましい。これにより、第２パージガス供給管を流れるパージガスも加熱することができ、パージガスと主管を流れる排ガスとの温度差を小さくすることができ、ノイズを小さくし、測定誤差を小さくすることができる。

本発明にかかるガス計測セル及びガス濃度計測装置は、測定誤差を少なくすることができ、高い精度で測定対象の物質の濃度を計測することができるという効果を奏する。

図１は、本発明のガス計測セルを有するガス濃度計測装置の一実施形態の概略構成を示す模式図である。 図２は、図１に示すガス濃度計測装置のガス計測セルの一部を拡大して示す拡大模式図である。 図３は、レーザ光の経路を説明するための説明図である。 図４は、パージ流速とアンモニア濃度の計測結果の変動との関係を示すグラフである。 図５は、他の実施形態のガス計測セルの一部を拡大して示す拡大模式図である。 図６は、ガス濃度計測装置の他の実施形態の概略構成を示す模式図である。 図７は、図６に示すガス濃度計測装置の一部を拡大した拡大模式図である。 図８は、ガス濃度計測装置の他の実施形態の概略構成を示す模式図である。 図９は、ガス濃度計測装置の他の実施形態の概略構成を示す模式図である。 図１０は、ガス濃度計測装置の他の実施形態の概略構成を示す模式図である。

以下に、本発明にかかるガス計測セルを有するガス濃度計測装置の一実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。なお、ガス濃度計測装置は、管路を流れる種々のガスについて特定の物質の濃度を計測することができる。例えば、ガス濃度計測装置をディーゼルエンジンに取付、ディーゼルエンジンから排出される排ガスに含まれる物質を計測してもよい。なお、排ガスを排出する機関、つまり測定対象のガスを排出（供給）する装置は、これに限定されず、ガソリンエンジンや、ガスタービン等種々の内燃機関に用いることができる。また、内燃機関を有する装置としては、車両、船舶、発電機等種々の装置が例示される。さらに、ゴミ焼却炉から排出される排ガスに含まれる所定物質の濃度を計測することもできる。また、ガス濃度計測装置は、装置を調整することで、排ガスに含まれる種々の物質の濃度を計測することができる。測定対象としては種々の物質としては、窒素酸化物、硫化酸化物、一酸化炭素、二酸化炭素、アンモニア等が例示される。

図１は、本発明のガス計測セルを有するガス濃度計測装置の一実施形態の概略構成を示す模式図である。図１に示すようにガス濃度計測装置１０は、計測セル（ガス計測セル）１２と、計測手段１４と、パージガス供給手段１６とを有する。ここで、ガス濃度計測装置１０は、排ガスＡが流れる配管６と配管８との間に設けられている。また、排ガスＡは、配管６の上流側から供給され、配管６、ガス濃度計測装置１０、配管８を通過し、配管８よりも下流に排出される。なお、配管６の上流側には、排ガスの発生装置（供給装置）が配置されている。

計測セル１２は、基本的に主管２０と、入射管２２と、出射管２４とを有する。また、入射管２２には、窓２６と、パージガス供給管３０とが設けられており、出射管２４は、窓２８と、パージガス供給管３２が設けられている。主管２０は、円筒状の管状部材であり、一方の端部が配管６と連結され、他方の端部が配管８と連結されている。つまり、主管２０は、排ガスＡが流れる流路の一部となる位置に配置されている。これにより、排ガスＡは、配管６、主管２０、配管８の順に流れる。また、配管６を流れる排ガスＡは、基本的に全て主管２０を流れる。

入射管２２は、管状部材であり、一方の端部が主管２０に連結されている。また、主管２０は、入射管２２との連結部が、入射管２２の開口（端部の開口）と略同一形状の開口となっている。つまり、入射管２２は、主管２０と、空気の流通が可能な状態で連結されている。また、入射管２２の他方の端部には、窓２６が設けられており、窓２６により封止されている。なお、窓２６は、光を透過する部材、例えば、透明なガラス、樹脂等で構成されている。これにより、入射管２２は、窓２６が設けられている端部が、空気が流通しない状態で、かつ、光が透過できる状態となる。

入射管２２は、窓２６側の端部から主管２０側の端部に向かうに従って開口面積（断面の面積）が大きくなる形状、つまり、中空の円錐の軸方向先端側が切り取られた形状となっている。これにより、窓２６側の端部の開口（つまり、窓２６により塞がれている開口）の面積よりも、主管２０側の端部（つまり、主管２０と連結している部分の開口）の面積が大きい形状となっている。

また、入射管２２には、さらにパージガス供給管３０が連結されている。パージガス供給管３０は、窓２６が封止されている端部と主管２０と連結されている端部との間に配置されている。パージガス供給管３０は、パージガス供給手段１６から供給されたパージガスを入射管２２に案内する。

出射管２４は、入射管２２と略同一形状の管状部材であり、一方の端部が主管２０に連結され、出射管２４の他方の端部には、窓２８が設けられている。出射管２４も、主管２０と空気が流通可能な状態で、窓２８が設けられている端部が、空気が流通しない状態で、かつ、光が透過できる状態となる。また、出射管２４は、中心軸が入射管２２の中心軸と略同一となる位置に配置されている。つまり、入射管２２と出射管２４とは、主管２０の対向する位置に配置されている。

また、出射管２４も、窓２８側の端部から主管２０側の端部に向かうに従って開口面積（断面の面積）が大きくなる形状、つまり、中空の円錐の軸方向先端側が切り取られた形状となっている。これにより窓２８側の端部の開口（つまり、窓２８により塞がれている開口）の面積よりも、主管２０側の端部（つまり、主管２０と連結している部分の開口）の面積が大きい形状となっている。

また、出射管２４の、窓２８が封止されている端部と主管２０と連結されている端部との間には、パージガス供給管３２が連結されている。パージガス供給管３２は、パージガス供給手段１６から供給されたパージガスを出射管２４に案内する。

次に、計測手段１４は、発光部４０と、光ファイバ４２と、受光部４４と、光源ドライバ４６と、算出部４８と、制御部５０とを有する。

発光部４０は、測定対象の物質が吸収する近赤外波長域のレーザ光を発光させる発光素子である。例えば、計測対象が一酸化窒素の場合、発光部４０は、一酸化窒素を吸収する近赤外波長域のレーザ光を発光させる発光素子を有する。また、計測対象が二酸化窒素の場合、発光部４０は、二酸化窒素を吸収する近赤外波長域のレーザ光を発光させる発光素子を有する。また、計測対象が亜酸化窒素の場合、発光部４０は、亜酸化窒素を吸収する近赤外波長域のレーザ光を発光させる発光素子を有する。なお、測定対象が複数の物質である場合、発光部４０は、夫々の物質が吸収する波長域の光を出射する発光素子を複数備えるようにしてもよい。光ファイバ４２は、発光部４０から出力されたレーザ光を案内し、窓２６から計測セル１２内に入射させる。

受光部４４は、計測セル１２の主管２０の内部を通過し、出射管２４の窓２８から出力されたレーザ光を受光する受光部である。なお、受光部４４は、例えば、フォトダイオード（ＰＤ、Photodiode）等の光検出器を備え、光検出器によってレーザ光を受光し、その光の強度を検出する。受光部４４は、受光したレーザ光の強度を受光信号として、算出部４８に送る。

光源ドライバ４６は、発光部４０の駆動を制御する機能を有し、発光部４０に供給する電流、電圧を調整することで、発光部４０から出力されるレーザ光の波長、強度を調整する。また、光源ドライバ４６は、制御部５０により制御される。

算出部４８は、受光部４４で受光したレーザ光の強度の信号と、制御部５０により光源ドライバ４６を駆動させている条件とに基づいて、計測対象の物質の濃度を算出する。具体的には、算出部４８は、制御部５０により光源ドライバ４６を駆動させている条件に基づいて、発光部４０から出力されるレーザ光の強度を算出し、受光部４４で受光したレーザ光の強度と比較し、排ガスＡに含まれる測定対象の物質の濃度を算出する。

制御部５０は、各部の動作を制御する制御機能を有し、必要に応じて、各部の動作を制御する。なお、本実施形態では、制御部５０を計測手段１４の制御部としたが、制御部５０をガス濃度計測装置１０の全体の動作を制御する制御部としてもよい。

計測手段１４は、以上のような構成であり、発光部４０から出力された近赤外の波長域のレーザ光Ｌは、光ファイバ４２から計測セル１２の所定経路、具体的には、窓２６、入射管２２、主管２０、出射管２４、窓２８を通過した後、受光部４４に到達する。このとき、計測セル１２内の排ガスＡ中に測定対象の物質が含まれていると、計測セル１２を通過するレーザ光が吸収される。そのため、レーザ光Ｌは、排ガスＡ中の測定対象の物質の濃度によって、受光部４４に到達するレーザ光の出力が変化する。受光部４４は、受光したレーザ光を受光信号に変換し、算出部４８に出力する。また、制御部５０及び光源ドライバ４６は、発光部４０から出力したレーザ光Ｌの強度を算出部４８に出力する。算出部４８は、発光部４０から出力した光の強度と、受光信号から算出される強度とを比較し、その減少割合から計測セル１２内を流れる排ガスＡの測定対象物の濃度を算出する。このように計測手段１４は、いわゆるＴＤＬＡＳ方式（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy：可変波長ダイオードレーザー分光法）を用い、出力したレーザ光の強度と、受光部４４で検出した受光信号とに基づいて主管２０内の所定位置、つまり、測定位置を通過する排ガスＡ中の測定対象物質の濃度を、算出及び／または計測する。また、計測手段１４は、連続的に測定対象物質の濃度を、算出及び／または計測することができる。

パージガス供給手段１６は、配管５１と、ポンプ５２と、ドライヤ５４と、流量計５６と、を有し、計測セル１２のパージガス供給管３０、３２に所定流量の空気を供給する。なお、本実施形態では、空気を供給しているが、ボンベ等を用いて窒素などを供給するようにしてもよい。

配管５１は、パージガス供給管３０、３２と連結している。また、配管５１には、パージガス供給管３０、３２から最も遠い側（空気の流れの上流）から順に、ポンプ５２、ドライヤ５４、流量計５６が配置されている。ポンプ５２は、配管５１に空気を供給することで、パージガス供給管３０、３２に空気を供給する。

ドライヤ５４は、配管５１を流れる空気を乾燥させる乾燥機構である。ドライヤ５４として、空気中に含まれる水分を低減することができればよく、種々の吸湿機構、吸湿材料を用いることができる。

流量計５６は、配管５１を流れる空気の量、つまり、流量を計測する。パージガス供給手段１６は、流量計５６での計測結果に基づいて流量を制御することで、配管５１を流れる空気の量を制御することができ、パージガス供給管３０から入射管２２に供給する空気の量、流速、パージガス供給管３２から出射管２４に供給する空気の量を所定の量とすることができる。また、ドライヤ５４で空気を乾燥させることで、流量計５６に水分が付着する可能性を低減することができる。

次に、ガス濃度計測装置１０の動作を説明する。ここで、図２は、図１に示すガス濃度計測装置のガス計測セルの一部を拡大して示す拡大模式図であり、図３は、レーザ光の経路を説明するための説明図である。まず、ガス濃度計測装置１０は、計測手段１４により上述した方法で排ガスＡ中の測定対象の物質の濃度を計測する。このとき、ガス濃度計測装置１０は、パージガス供給手段１６により、パージガス供給管３０から入射管２２にパージガスＧを供給し、パージガス供給管３２から出射管２４にもパージガスＧを供給する。これにより、入射管２２と出射管２４内に排ガスＡが進入することを抑制し、排ガスＡに含まれる微粒子等が、窓２６、２８に付着することを抑制することができる。これにより、計測手段１４での計測をより正確に行うことができる。

ここで、本発明者らは、パージガス供給手段１６により供給されるパージガスＧと、主管２０を流れる排ガスＡとは、異なる性質の空気、具体的には、ガスの温度が異なるため、図２に示すように、パージガス供給手段１６から供給され、入射管２２を通り主管２０に到達するパージガスＧと、主管２０を流れる排ガスＡとが混合される領域に温度境界層８０が形成されることを知見した。この温度境界層８０を境界としてパージガスＧと排ガスＡとの温度が異なることで、屈折率が異なる値となる。このため、レーザ光Ｌは、図３に示すように、温度境界層８０を通過することで、屈折する。また、温度境界層８０は、不安定であり、温度境界層８０とみなすことができる層の角度が変化するため、レーザ光Ｌの到達位置は、時間によって変化する。このようにレーザ光Ｌの到達位置が変化すると、計測結果にノイズが発生することになり、測定精度が低下することになる。例えば、温度境界層８０がレーザ光Ｌの進行方向に対して、θ１傾斜していると仮定できる場合、温度境界層８０を通過することにより、温度境界層８０とのなす角がθ２のレーザ光Ｌとなる。これにより、θ１とθ２との差分だけ、光の進行方向が変化し、到達位置が変化する。このように到達位置が変化すると、受光部４４がレーザ光Ｌを受光する位置が変化する。つまり計測している条件が変化する。

ガス濃度計測装置１０の計測セル１２は、入射管２２を窓２６側の端部の開口の面積よりも、主管２０側の端部の面積が大きい形状であり、入射管２２からパージガスＧが排出される部分の面積が大きくなる。これにより、パージガスＧと排ガスＡとが混合する面積を大きくすることができ、混合速度を低下させ、温度境界層８０での光の変動影響（温度境界層８０が光に及ぼす影響）を低減できる。このように、温度境界層８０が光に及ぼす影響を低減できることで、屈折の変化量を小さくすることができ、計測結果に発生するノイズを小さくすることができ、測定精度を高くすることができる。

また、計測セル１２を、入射管２２を窓２６側の端部の開口の面積よりも、主管２０側の端部の面積が大きい形状とすることで、主管２０側の端部の面積を大きくしつつ、入射管２２を窓２６側の端部に所定流速以上、また所定圧力以上のパージガスＧを供給することができる。これにより、窓２６付近に排ガスＡが到達することを抑制することができ、窓が汚れる可能性を低減することができる。

ここで、測定の一例として、測定対象の物質をアンモニア（ＮＨ_３）とし、パージ流速とアンモニア濃度の測定精度との関係を計測した。ここで、パージ流速とは、入射管２２を流れるパージガスＧの流速である。また、測定では、入射管２２として、開口径が変化しない、つまり、窓２６側の端部の開口の面積と、主管２０側の端部の面積とが実質的に同一である管を用いた。また、排ガスの流量を一定として、パージガスの流速を変化させて、夫々の場合について、アンモニア（ＮＨ３）濃度（ｐｐｍ）の計測結果の２σ値を算出した。また、排ガスとして、５０Ｎｍ^３／ｈ、３８０℃の排ガスを流した場合、１１０Ｎｍ^３／ｈ、４２０℃の排ガスを流した場合、１５０Ｎｍ^３／ｈ、３５０℃の排ガスを流した場合について測定を行った。測定結果を図４に示す。図４は、パージ流速とアンモニア濃度の計測結果の変動との関係を示すグラフであり、横軸をパージガスの流速（ｍ／ｓ）とし、縦軸をアンモニア（ＮＨ３）濃度（ｐｐｍ）の２σ値とした。

図４に示すように、パージ流速を高くすると、アンモニア（ＮＨ_３）濃度（ｐｐｍ）の２σ値も大きくなることがわかる。また、図４に示す測定例では、窓の汚れを抑制するには、パージ流速を点線の位置より大きくする必要がある。これに対して、ガス濃度計測装置１０の計測セル１２は、入射管２２を窓２６側の端部の開口の面積よりも、主管２０側の端部の面積が大きい形状であるため、窓２６側は、流速を点線より速くし、かつ、主管２０側の端部での流速を、例えば１ｍ／ｓ以下にすることができる。以上より、ガス濃度計測装置１０及び計測セル１２は、窓２６が汚れることを抑制しつつ、測定精度を高くすることができる。

また、計測セル１２に示すように出射管２４の形状も入射管２２と同様の形状とすることで、出射管２４と主管２０との間にできる温度境界層も薄くすることができ、出射管２４と主管２０との間の温度境界層の通過により生じるノイズも小さくすることができる。なお、このような効果が得られるため、出射管２４も入射管２２と同様の形状とすることが好ましいが、出射管２４の形状は限定されず、少なくとも入射管２２が、窓２６側の端部の開口の面積よりも、主管２０側の端部の面積が大きい形状とすればよい。

ここで、入射管２２は、窓２６側の端部の開口の面積と、主管２０側の端部の面積との関係が、２≦（主管２０側の端部の面積）／（窓２６側の端部の開口の面積）を満たす形状とすることが好ましい。

また、パージガスＧの流れを安定させることができるため、つまり乱流等の発生を抑制できるため、入射管２２のように、断面が直線となる形状とすることが好ましいが、本発明はこれに限定されない。ここで、図５は、他の実施形態のガス計測セルの一部を拡大して示す拡大模式図である。図５に示す入射管９０は、第１管９２と、第１管９２よりも径が大きい（開口面積が大きい）第２管９４とが同軸上に連結された構造である。また、第１管９２と第２管９４とは、それぞれ、どの位置においても断面が基本的に同一形状、同一面積となる構造である。第１管９２は、一方の端部が窓２６と連結され、他方の端部が第２管９４と連結されている。また、第２管９４は、一方の端部が第１管９２と連結され、他方の端部が主管２０と連結されている。なお、第１管９２と第２管９４との連結部は、空気が漏れないように連結されている。また、パージガス供給管３０は、第１管９２に連結されている。

図５に示す入射管９０のように、開口面積が異なる２つの管を連結した形状としても、窓２６側の端部の開口の面積よりも、主管２０側の端部の面積が大きい形状となり、窓２６の近傍に一定以上の流速のパージガスを供給しつつ、パージガスと排ガスとが混ざる領域で生じる温度境界層を薄くすることができる。これにより、窓２６の汚れを抑制しつつ、測定精度を高くすることができる。なお、上記実施形態では、入射管９０の形状について説明したが、出射管も同様の形状としてもよい。

ここで、本実施形態のように入射管９０を２つの管で構成する場合、第２管９４は、開口径と管の長さ（開口に直交する方向の長さ）との関係が、５≦（管の長さ）／（開口径）を満たす形状とすることが好ましい。第２管９４の形状が上記関係を満たすことで、第２管９４と主管２０との連結部に到達するパージガスを安定した流れにすることができる。

次に、上記実施形態では、入射管の形状により温度境界層を制御（調整）することで、測定精度を向上させたが本発明はこれに限定されない。以下、図６及び図７を用いて、他の実施形態について説明する。ここで、図６は、ガス濃度計測装置の他の実施形態の概略構成を示す模式図であり、図７は、図６に示すガス濃度計測装置の一部を拡大した拡大模式図である。なお、図６及び図７に示すガス濃度計測装置１００は、一部の構成を除いて他の構成は、ガス濃度計測装置１０と同様の構成である。そこで、ガス濃度計測装置１００の構成で、ガス濃度計測装置１０と同様の構成の部分は、同一の符号を付してその説明は省略し、以下、ガス濃度計測装置１００に特有の点を説明する。

ガス濃度計測装置１００は、計測セル（ガス計測セル）１０２と、計測手段１４と、パージガス供給手段１０４とを有する。ここで、ガス濃度計測装置１００も、排ガスＡが流れる配管６と配管８との間に設けられている。また、計測手段１４は、ガス濃度計測装置１０の計測手段１４と同様の構成であるので、説明を省略する。

計測セル１０２は、主管２０と、入射管１１０と、出射管１１２とを有する。また、入射管１１０には、窓２６と、パージガス供給管１１４とが設けられており、出射管１１２は、窓２８と、パージガス供給管１１６が設けられている。

入射管１１０は、図７に示すように、窓２６側の端部の開口（つまり、窓２６により塞がれている開口）の面積と、主管２０側の端部（つまり、主管２０と連結している部分の開口）の面積とが実質的に同一の円筒形状である。また、パージガス供給管１１４は、図７に示すように、パージガスの吹出し口となる部分が窓２６側に向けて傾斜している。パージガス供給管１１４の吹出し口が窓２６側を向いていることで、パージガスを窓２６周辺に効率よく供給することができ、窓２６が汚れることをより確実に防止することができる。なお、上述したガス濃度計測装置１０のパージガス供給管３０をパージガス供給管１１４に置き換えることもできる。

また、出射管１１２も入射管１１０と同様に、窓２８側の端部の開口（つまり、窓２８により塞がれている開口）の面積と、主管２０側の端部（つまり、主管２０と連結している部分の開口）の面積とが実質的に同一の円筒形状である。また、パージガス供給管１１６も吹出し口が窓２８側を向いた形状である。

次に、パージガス供給手段１０４は、配管５１と、ポンプ５２と、ドライヤ５４と、流量計５６と、ヒータ１１８とを有し、計測セル１０２のパージガス供給管１１４、１１６に所定流量の空気を供給する。なお、配管５１と、ポンプ５２と、ドライヤ５４と、流量計５６とは、上述したパージガス供給手段１６の各部と同様の構成であるので、説明は省略する。

ヒータ１１８は、配管５１内を流れる空気を加熱する加熱機構である。ヒータ１１８としては、配管５１内を流れる空気を加熱する種々の機構を用いることができ、配管５１の周りに電熱管を巻いて、配管５１を加熱することで、空気を加熱する加熱機構や、配管５１の周りで燃料を燃焼させて、配管５１内の空気を加熱する加熱機構、配管５１の周りに高温の液体を流して、配管５１内の空気を加熱する加熱機構等を用いることができる。

パージガス供給手段１０４は、ヒータ１１８により配管５１内の空気を加熱することで、パージガス供給管１１４、１１６に所定温度に加熱されたパージガスを供給することができる。

ガス濃度計測装置１００は、パージガス供給手段１０４による加熱したパージガスを供給することで、パージガスと排ガスとの温度差を小さくすることができ、温度境界層での光の屈折を小さくすることができる。また、パージガスと排ガスとを（実質的に）同一とすることで、温度境界層の発生を抑制することができ、計測セル１０２を通過するレーザ光が屈折することを抑制することができる。

これにより、ガス濃度計測装置１００は、レーザ光の屈折等によるノイズの発生を抑制することができ、計測精度を高くすることができる。また、温度境界層の発生を抑制できる、または、温度境界層での屈折を抑制できることで、一定以上の流速でパージガスを供給しても計測精度を高く維持できるため、窓に汚れが発生する可能性も低くすることができる。また、パージガスと排ガスの温度差を小さくし、計測時のノイズを小さくできるため、入射管、出射管の形状を問わず、計測精度を高くしつつ、窓が汚れる可能性を低減することができる。

なお、ガス濃度計測装置１００は、温度計等を設け、パージガスと排ガスとの温度差がより少なくなるように、ヒータの駆動を制御することが好ましい。温度差が小さくなるように、ヒータの駆動を制御することで、計測精度をより高くすることができる。

次に、図８を用いて、パージガスの加熱手段を備えるガス濃度計測装置の他の実施形態について説明する。ここで、図８は、ガス濃度計測装置の他の実施形態の概略構成を示す模式図である。なお、図８に示すガス濃度計測装置１２０は、一部の構成を除いて他の構成は、ガス濃度計測装置１００と同様の構成である。そこで、ガス濃度計測装置１２０の構成で、ガス濃度計測装置１００と同様の構成の部分は、同一の符号を付してその説明は省略し、以下、ガス濃度計測装置１２０に特有の点を説明する。

ガス濃度計測装置１２０は、計測セル（ガス計測セル）１２２と、計測手段１４と、パージガス供給手段１２４とを有する。ここで、ガス濃度計測装置１２０も、排ガスＡが流れる配管６と配管８との間に設けられている。また、計測手段１４は、ガス濃度計測装置１０の計測手段１４と同様の構成であるので、説明を省略する。

計測セル１２２は、主管１３０と、入射管１１０と、出射管１１２とを有する。また、入射管２２０には、窓２６と、パージガス供給管１１４とが設けられており、出射管１１２は、窓２８と、パージガス供給管１１６が設けられている。入射管１１０と、出射管１１２と、窓２６、２８と、パージガス供給管１１４、１１６は、上述した計測セル１０２の各部と同様である。

主管１３０は、円筒状の管状部材であり、一方の端部が配管６と連結され、他方の端部が配管８と連結されている。つまり、主管１３０も、排ガスＡが流れる流路の一部となる位置に配置されている。また、主管１３０には、案内通路１３２、１３４が形成されている。

案内通路１３２は、後述する配管１４０が挿入される通路である。案内通路１３２は、主管１３０の外周に入口と出口が形成され、通路となる管状部分は、主管１３０の内部に配置されている。これにより案内通路１３２は、通路内部が外気連通しており、通路外側に排ガスが流れている。また、案内通路１３４も同様に主管１３０の外周に入口と出口が形成され、通路となる管状部分は、主管１３０の内部に配置されている。

次に、パージガス供給手段１２４は、配管１４０と、ポンプ５２と、ドライヤ５４と、流量計５６とを有し、計測セル１２２のパージガス供給管１１４、１１６に所定流量の空気を供給する。なお、ポンプ５２と、ドライヤ５４と、流量計５６とは、上述したパージガス供給手段１６の各部と同様の構成であるので、説明は省略する。

配管１４０は、ポンプ５２から供給され、ドライヤ５４と、流量計５６とを通過したパージガスをパージガス供給管１１４、１１６に供給する配管である。また、配管１４０は、主配管１４２と、主配管１４２から分岐された分岐管１４４、１４６で構成されている。

主配管１４２は、経路上に、ポンプ５２、ドライヤ５４、流量計５６が配置されており、ポンプ５２から送られたパージガスを分岐管１４４、１４６に供給する。分岐管１４４は、一方の端部が主配管１４２に連結され、他方の端部がパージガス供給管１１４に連結されている。また、分岐管１４４は、案内通路１３２に挿入されている。分岐管１４６は、一方の端部が主配管１４２に連結され、他方の端部がパージガス供給管１１６に連結されている。また、分岐管１４６は、案内通路１３４に挿入されている。

以上の構成により、パージガスは、主配管１４２、分岐管１４４、パージガス供給管１１４を通過して、入射管１１０に供給される。ここで、パージガスは、分岐管１４４の案内通路１３２に対応する領域を通過する際に、排ガスにより加熱されるため、入射管１１０には加熱された状態で供給される。また、出射管１１２に供給するパージガスも同様に、主配管１４２、分岐管１４６、パージガス供給管１１６を通過して、出射管１１２に供給される。このため、分岐管１４６の案内通路１３４に対応する領域を通過する際に、排ガスにより加熱され、加熱された状態で、出射管１１２に供給される。

このように、パージガス供給手段１２４の配管の一部が、主管１３０の近傍、または内部を通過する構造とし、排ガスの熱によりパージガスを加熱させることでも、パージガスと排ガスとの温度差を小さくすることができる。また、本実施形態のように、排ガスによりパージガスを加熱することで、加熱量を制御しなくとも、排ガスとパージガスとの温度差を小さくすることができる。これにより、制御を簡単にしつつ上述したガス濃度計測装置１００と同様の効果を得ることができる。

なお、ガス濃度計測装置１２０では、配管１４０の一部を主管１３０の内部を通過する構成としたが、本発明はこれに限定されず、排ガスによりパージガスを加熱することができれば、その構造は限定されない。例えば、主管の外周に巻きつくように配管を配置してもよい。

また、上記実施形態では、いずれも主管の軸方向に直交する方向にレーザ光を照射し、排ガス中の特定物質の濃度を計測したが、本発明はこれに限定されない。図９及び図１０は、ガス濃度計測装置の他の実施形態の概略構成を示す模式図である。なお、図９及び図１０は、排ガスが流れる配管と、計測セル１２との関係を説明する図であるため、計測手段１４、パージガス供給手段１６の図示は、基本的に省略する。また、計測セル１２も各部の配置位置が異なるのみで、構成等は、上述した各例と同様である。また、計測手段１４、パージガス供給手段１６としては、上述した種々の構成を用いることができる。なお、以下では、ガス濃度計測装置１０の変形例として説明するが、ガス濃度計測装置１００、１２０の場合も同様である。

図９に示すガス濃度計測装置１６０の計測セル１２ａは、主管２０ａと、入射管２２ａと、出射管２４ａとを有する。なお、入射管２２ａ、出射管２４ａには、それぞれ、パージガス供給管が連結され、窓が配置されている。主管２０ａは、一方の端部が配管６ａと接続され、他方の端部が配管８ａと接続されている。配管６ａを流れた排ガスは、主管２０ａを通過して、配管８ａに到達する。入射管２２ａと、出射管２４ａは、主管２０ａの管の排ガスの流れ方向に対して所定角度傾斜して配置されている。つまり主管の軸方向に直交する向きとのなす角が０度以上９０度未満（図９では、約４５度）となっている。また、入射管２２ａと出射管２４ａとは、管の中心軸が同軸となる位置、向きで配置されている。つまり、入射管２２ａと出射管２４ａとは、入射管２２ａの窓から入射されたレーザ光が、主管２０ａを通り、出射管２４ａの窓に到達する位置関係で配置されている。

ガス濃度計測装置１６０のように、排ガスの流れ方向に対して直交する方向以外の向きで入射管２２ａ、出射管２４ａを配置した構成としても、入射管２２ａ、出射管２４ａを上述した構成とすることで、ガス濃度計測装置１０と同様の効果を得ることができる。

次に、図１０に示すガス濃度計測装置１８０の計測セル１２ｂは、主管２０ｂと、入射管２２ｂと、出射管２４ｂとを有する。なお、入射管２２ｂ、出射管２４ｂには、それぞれ、パージガス供給管が連結され、窓が配置されている。主管２０ｂは、測定管１８２と、導入管１８４と、導出管１８６とで構成されている。また、主管２０ｂは、測定管１８２が、導入管１８４を介して、配管６ｂと連結され、導出管１８６を介して配管８ｂと連結されている。従って、排ガスは、配管６ｂと、導入管１８４、測定管１８２、導出管１８６、配管８ｂの順で流れる。

また、測定管１８２は、中空の円柱形状（つまり、上面と下面が塞がれている円筒形状）であり、一方の端部近傍の側面に導入管１８４が連結され、他方の端部近傍の側面に導出管１８６が連結されている。また、入射管２２ｂは、導入管１８４が配置されている側の測定管１８２の端面に配置され、出射管２４ｂは、導出管１８６が配置されている側の測定管１８２の端面に配置されている。つまり、入射管２２ｂと出射管２４ｂとは、円柱の上面と下面とに対向して設けられている。これにより、入射管２２ｂの窓から入射されたレーザ光は、測定管１８２の軸と平行な向きで測定管１８２を通過して、出射管２４ｂの窓に到達する。つまり、レーザ光と排ガスの流れる方向が同一となる。

ガス濃度計測装置１８０のように、レーザ光と排ガスの流れる方向が同一となる構成としても、入射管２２ｂ、出射管２４ｂを上述した構成とすることで、ガス濃度計測装置１０と同様の効果を得ることができる。

また、上記実施形態では、入射管と出射管を同軸上に設けたがこれには限定されない。例えば、計測セル内に光学ミラーを設け、入射管の窓から入射されたレーザ光を測定セル内の光学ミラーで多重反射させた後、出射管の窓に到達させるようにしてもよい。このようにレーザ光を多重反射させることで、計測セル内のより多くの領域を通過させることができる。これにより、計測セル内を流れる排ガスの濃度の分布（排ガスの流量や密度のばらつき、排ガス内の濃度分布のばらつき）の影響を小さくすることができ、正確に濃度を検出することができる。

また、上記実施形態では、いずれも計測セルの主管と、排ガスを流す案内管とを別部材としたが、一体としてもよい。例えば、計測セルの主管が排ガスを排出する装置に直接連結してもよい。

また、計測セルの主管の管形状は、レーザ光が通過できればよく、断面が円となる管としても、断面が多角形になる管としても、断面が楕円形となる管としてもよい。また、管の内周の断面と外周の断面が異なる形状となってもよい。

以上のように、本発明にかかるガス計測セル及びこれを用いたガス濃度計測装置は、管路内を流れるガスに含まれる測定対象の物質の濃度の計測に有用であり、特に、管路内を流れているガスに含まれる所定成分の濃度を計測するのに適している。

６、８ 配管
１０ ガス濃度計測装置
１２ 計測セル
１４ 計測手段
１６ パージガス供給手段
２０ 主管
２２ 入射管
２４ 出射管
２６、２８ 窓
３０、３２ パージガス供給管
４０ 発光部
４２ 光ファイバ
４４ 受光部
４６ 光源ドライバ
４８ 算出部
５０ 制御部
５２ ポンプ
５４ ドライヤ
５６ 流量計

Claims (10)

1. 両端が開放され、それぞれ排ガスを流す流路と連結可能な主管と、
   前記主管に連結し、前記主管と連結している側と反対側の端部に光が通過可能な窓部が形成された入射管と、
   前記主管に連結し、前記主管と連結している側と反対側の端部に光が通過可能な窓部が形成された出射管と、
   前記入射管と連結された第１パージガス供給管と、を有し、
   前記入射管は、前記窓部の端部の開口面積よりも前記主管と連結している側の端部の開口面積の方が大きく、
   前記主管と連結している側の端部の開口面積が前記窓部側の端部の開口面積の２倍以上であることを特徴とするガス計測セル。
2. 前記入射管は、前記主管と連結している側の端部の開口面に垂直な方向の断面の外形が直線となる形状であることを特徴とする請求項１に記載のガス計測セル。
3. 前記入射管は、開口面積が異なる２つの管状部材を直列で連結させた形状であることを特徴とする請求項１に記載のガス計測セル。
4. さらに、前記出射管と連結された第２パージガス供給管を有し、
   前記出射管は、前記窓部の端部の開口面積よりも前記主管と連結している側の端部の開口面積の方が大きいことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のガス計測セル。
5. 前記出射管は、前記入射管と同一形状であることを特徴とする請求項４に記載のガス計測セル。
6. 前記第１パージガス供給管は、パージガスの吹出し口となる部分が前記窓部側に傾斜し、前記窓部側を向いていることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載のガス計測セル。
7. 請求項１から６のいずれか１項に記載のガス計測セルと、
   前記ガス計測セルのパージガス供給管にパージガスを供給するパージガス供給部と、
   前記ガス計測セルにレーザ光を入射させる発光部と、
   前記発光部から入射され、前記ガス計測セルを通過したレーザ光を受光する受光部と、
   前記発光部から出力したレーザ光の強度と、前記受光部で受光したレーザ光の強度とに基づいて、前記ガス計測セルを流れる排ガスの測定対象の物質の濃度を算出する算出部と、
   各部の動作を制御する制御部と、を有することを特徴とするガス濃度計測装置。
8. 前記パージガス供給部は、前記パージガスを加熱する加熱機構を備えることを特徴とする請求項７に記載のガス濃度計測装置。
9. 前記加熱機構は、前記パージガスが通る配管を加熱するヒータであることを特徴とする請求項８に記載のガス濃度計測装置。
10. 前記加熱機構は、前記パージガスが通る配管の少なくとも一部が前記主管の内部を通過する構成とすることを特徴とする請求項８に記載のガス濃度計測装置。

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