JP5804619B2 - オパシメータにおける発光素子光度補償装置 - Google Patents

Description

この発明はオパシメータ（透過式スモークメータ）における発光素子の発光光度補償装置に関するものである。
オパシメータは、測定室に導入された排ガスの粒状物質の濃度を光の減衰量で測定する装置である。

オパシメータ１０１は図４に示すように、測定室３を挟んで向かい合った発光素子４と受光素子５により測定光路が形成され、測定室３内に被測定対象である排ガス２１を導入し、その排ガス２１中に発光素子４からの光を透過させて受光素子５で受光して計測し排ガス２１内の粒状物質が光を吸収する量を検出し、減衰された光量から排ガスの光吸収係数（ｍ^−１）を算出する。排ガスの粒状物質が光を吸収した量を光吸収係数（Ｋ）と呼び、減衰光との関係はベア・ランベルト法則として広く知られている。
Ｋ＝−（１／Ｌａ）・｛ｌn（Ｉ／Ｉ_０）｝（１式）ただし Ｋ ：光吸収係数（１／ｍ）
Ｌａ :有効光路長さ（ｍ）
Ｉ :排ガスがあるときの光量
Ｉ_０ ：排ガスが無いときの光量
Ｉ／Ｉ_０ :排ガスの透過率
発光素子４の発光量は周囲温度に影響される場合がある。例えば発光素子４をＬＥＤ（発光ダイオード）で構成した場合には、ＬＥＤの発光量はＬＥＤの周囲温度が高くなると大きく減少し、温度が低くなると増加することは広く知られていて測定値の温度補償をする必要がある。

これまでの温度補償技術は、ＬＥＤ付近に感温素子を配置し、その温度測定値からＬＥＤに流す電流を調整して発光量を一定にする手法、あるいは、温度測定値から受光側で受光量を補償する手法を用いている。
スモークメータにおいて、光吸収係数の温度補償を行う技術としては特許文献１及び２に記載されたものがある。

このうち、特許文献１に記載された技術は排ガス中の粒子状物質を吸着させてろ紙からの反射光を測定する反射式スモークメータに関する技術であるのでオパシメータ（透過型スモークメータ）とは測定原理が異なっている。

また特許文献２に記載された技術では排気管から排圧分流された排ガスは、オパシメータの測定室に導入され左右に分流され、測定室の左右の終端で掃気エアー（清浄空気）と合流させて大気に放出する。その間に発光素子のＬＥＤから発せられた光は測定室内の排ガスを透過し、減衰して受光素子で受光され、減衰量から排ガスの光吸収係数が求められる。エアーカーテン１４、１５は掃気エアーを流して、受光素子、発光素子が排ガスの粒状物質、水分、等により汚染されるのを防ぐ役割を果たす。

特開平０７−２６０６８３ 特開平１１−１８３３７９

このような、従来のオパシメータ１０１の問題点を次に示す。
（１）温度に対するＬＥＤの発光量の特性は、個々に特有な特性を示す。よって個別の温
度特性を得る必要がある。
（２）感温素子のメモリ付けを必要とする。
（３）感温素子の熱容量と、ＬＥＤの熱容量が異なり、周囲温度が変化した場合に感温素
子とＬＥＤの温度変化に違いができ、正しい補償値になるまで時間差が生じる。
（４）ＬＥＤの自己発熱により発光量変動を生じる。これは感温素子では検知できない。

さらに感温素子によってＬＥＤの周囲の温度を測定し、その温度測定値からＬＥＤの発光量を補償したり、受光量を補正するためには、感温素子が必要となるだけでなく、ＬＥＤの発光量を求めるには間接的で、誤差が入り易い。

このようなことから、個々のＬＥＤに個別の温度特性を得る必要がなく、感温素子を使用することなく迅速にＬＥＤの発光量を補償することができ、温度変化に対応したＬＥＤの発光量を直接に求めることができるオパシメータにおける発光素子光度補償技術の開発が望まれている。

この目的に対応してこの発明のオパシメータにおける発光素子光度補償装置は、被測定対象の排ガスを導入する測定室を通して測定用受光素子に達する測定用光路を形成する発光素子からの光を前記測定室内の排出ガスに透過させて前記測定用受光素子で受光するように構成したオパシメータにおける発光素子光度補償装置であって、前記発光素子からの発光を前記測定室を介さないで受け得る位置に参照用受光素子を配置してなり、前記参照用受光素子は前記測定用受光素子と温度特性が同じであり、前記参照用受光素子の設置位置は前記発光素子からの前記参照用受光素子の受光量に影響を与える熱量の熱伝達が無い位置で前記発光素子からの光が受けられる位置であり、前記発光素子がＬＥＤであり、前記参照用受光素子の前記光軸に平行な受光面は前記ＬＥＤから前記光軸から垂直な方向に０．２〜０．５ｍｍ離れて配置することを特徴としている。

この発明のオパシメータにおける発光素子光度補償装置では、
（１）感温素子が不要になり、装置の構成を簡単にすることができる。
（２）また感温素子が無くなることで、温度に関連する調整が不要になり、迅速な測定が可能になる。
（３）また、ＬＥＤの発光光度の個々の温度特性取得作業が不要になり、測定操作が簡易になる。
（４）さらに温度変化に大変優れ、かつ低コストのオパシメータが構築できる。

以下この発明の詳細を実施の形態を示す図面について説明する。
図１及び図２において、１はオパシメータである。オパシメータ１は発光素子発光度補償装置（以下単に「補償装置」と称する）２を備えている。
補償装置２は測定室３と発光素子４と受光素子５とを備えている。
測定室３は排ガスを収容可能な空間をなし、その中間部に被測定対象である排ガスを導入する排ガス入り口６とその両端に排ガスを排出する排ガス出口７、８とが開口している。
排ガス出口７、８にはエアーカーテン部１４、１５が設けられ、エアーカーテン部１４、１５には掃気エアーが流出され、排ガス出口７、８における排ガスの流出を案内して排ガスが後述する発光素子４や受光素子５に接触するのを阻止する。

一方の排ガス出口７に対向して発光素子４が配置されていて、発光素子４は測定室３を貫通して、排ガス出口７から排ガス出口８に達する光路１１に光を投射することが可能である。発光素子４としてはＬＥＤやランプで構成することができる。

排ガス出口８に対向して光路１１上に受光素子５が配置されている。受光素子５はフォトダイオード等で構成されている。

発光素子４の近傍に補償装置２が設けられている。補償装置２は参照用受光装置１２を備えている。
参照用受光素子１２の目的は、周囲温度の変化、およびＬＥＤ等の発光素子４の自己発熱によるＬＥＤ光量変化を検出することである。
発光素子４の光路１１に向う光と参照用受光素子１２に向う光との光量比が定まっているもので、かつ参照用受光素子１２は受光素子５と温度特性が同じもので構成し、また参照用受光素子１２と受光素子５の設置位置は同じ温度環境で設置する。

また参照用受光素子１２の設置位置は発光素子４からの光が受けられる位置で、かつ発光素子４からの受光量に影響を与えるような実質的な熱量の伝達がない位置であることが必要である。

さらに参照用受光素子１２の設置位置は発光素子４の光路１１と干渉しない位置である必要がある。
このような発光素子４、受光素子５、参照用受光素子１２の条件を満たすために、受光素子５と参照用受光素子１２は一例として
発光素子４はＬＥＤで構成し、受光素子５、参照用受光素子１２は共にフォトダイオードで構成し、かつ参照用受光素子１２の設置位置は、受光面１３が光路１１と平行で発光素子４の側面１６からＸｍｍ（Ｘｍｍ＝０．２〜０．５ｍｍ）離れた位置にする。
受光素子５と参照用受光素子１２との２つの受光素子は温度依存性が少ないもの、あるいは温度に対する受光素子が同じ特性のものを採用する。

参照用受光素子１２は、ＬＥＤの自己加熱の影響を受けず、かつ、受光量が不足しない距離で図２のようにＬＥＤの側面近傍に配置する。

参照用受光素子１２の測定値は、ＬＥＤの自己加熱と周囲温度の影響で変化した光量が検出でき、排ガスに含まれる粒状物質による減衰には影響されない。

このように構成されたオパシメータ１における発光度補償つき排ガスの粒状物質の濃度測定は次のようにして行う。
被測定対象である排ガスはエンジンの排気管から排圧によって排ガス入口６から測定室３に入り左右に分かれて測定室３内に充満し、濃度計測され、その後、測定室３の両端の排ガス出口７、８からエアーカーテン１４、１５の掃気空気流に案内されて外部に排出されている。

光吸収係数の計測においては、発光素子４が発光した発光の主要部分はコンデンサーレンズ１７を通して、光路１１に従って測定室３を通り、その間に測定室３内の排ガスの粒状物質によって減衰されて受光素子５に達し、受光量の計測がなされる。

一方、発光素子４の発光の一定割合は排ガスに減衰されない状態で参照用受光素子１２に達する。

発光素子４の周囲温度が変動した場合、発光素子４の光量変動は受光素子１２と同じ割合で変動する。

一般に透過率（Ｔ）はＴ＝（Ｉ_Ｓ／Ｉ_Ｓ０）×１００（２式）と表される。
Ｔ ：粒状物質の透過率（％）
Ｉ_Ｓ ：粒状物質が存在するときの受光素子５の受光量
Ｉ_Ｓ０：粒状物質が存在しないときの受光素子５の受光量
受光素子Ｒを利用して温度補償をした透過率は、
Ｔ＝（Ｉ_Ｓ／Ｉ_Ｓ０）・（Ｉ_Ｒ０／Ｉ_Ｒ）×１００（３式）となる。
Ｔ ：粒状物質の透過率（％）
Ｉ_Ｓ ：粒状物質が存在するときの受光素子５の受光量
Ｉ_Ｓ０：粒状物質が存在しないときの受光素子５の受光量
Ｉ_Ｒ ：粒状物質が存在するときの受光素子１２の受光量
Ｉ_Ｒ０ : 粒状物質が存在しないときの受光素子１２の受光量
周囲温度の影響によりＬＥＤ発光量が変動した場合のそれぞれの受光量は同じ割合で影響を受ける。温度による変動分をａとすると、Ｉ_ＳとＩ_Ｒはそれぞれ
Ｉ_Ｓ→ａ・Ｉ_Ｓ
Ｉ_Ｒ→ａ・Ｉ_Ｒ
となる。

これを３式に代入すると
Ｔ＝｛（ａ・Ｉ_Ｓ）／Ｉ_Ｓ０｝・｛Ｉ_Ｒ０／（ａ・Ｉ_Ｒ）｝×１００（４式）
となり、温度変動による光量変動分は相殺される。
こうして図３に示すように、周囲温度の変動に対して透過率の測定値が良好に補償される。
以上の説明から明らかなように、本発明による補償検出器付オパシメータ１によって、測定中の温度変化および光源の光量変化の影響は完全に補償できる。図３には従来の測定方式の検出器の場合の周囲温度の影響の測定例に対比して、本発明の補償検出器付の場合の周囲温度の影響の実測例が示してある。このように、５℃〜４５℃と大きく周囲温度が変化しても測定値には全く影響しない。また、一般には光源は時間と共に光量が変化するが、本発明の補償検出器によってはこの光源光量の変化も十分に補償して測定できる。さらに、測定出力信号は通常のアナログ計測器においては３桁程度の分解能しか得られないが、本発明による演算処理によって４桁以上の精度と読み取りが可能となる。これらの効果によって、ディーゼル排気の黒煙濃度の測定において従来の方式よりも１桁低い濃度まで高精度と高分解能で測定できる。

この発明のオパシメータの構成を示す説明図 この発明の発光素子光度補償装置 透過率と周囲温度との関係を示すグラフ 従来のオパシメータの構成を示す説明図

１ オパシメータ
２ 発光素子発光度補償装置
３ 測定室
４ 発光素子
５ 受光素子
６ 排ガス入口
７ 排ガス出口
８ 排ガス出口
１１ 光路
１２ 参照用受光素子
１４ エアーカーテン部
１５ エアーカーテン部
１６ 発光素子の側面
１７ コンデンサーレンズ
２１ 排ガス
１０１ オパシメータ

Claims (1)

1. 被測定対象の排ガスを導入する測定室を通して測定用受光素子に達する測定用光路を形成する発光素子からの光を前記測定室内の排出ガスに透過させて前記測定用受光素子で受光するように構成したオパシメータにおける発光素子光度補償装置であって、前記発光素子からの発光を前記測定室を介さないで受け得る位置に参照用受光素子を配置してなり、前記参照用受光素子は前記測定用受光素子と温度特性が同じであり、前記参照用受光素子の設置位置は前記発光素子からの前記参照用受光素子の受光量に影響を与える熱量の熱伝達が無い位置で前記発光素子からの光が受けられる位置であり、前記発光素子がＬＥＤであり、前記参照用受光素子の前記光軸に平行な受光面は前記ＬＥＤから前記光軸から垂直な方向に０．２〜０．５ｍｍ離れて配置することを特徴とするオパシメータにおける発光素子光度補償装置

Images