JP5837415B2

JP5837415B2 - 多段希釈機構に用いられる臨界オリフィス型定流量器の特性測定方法

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Publication number: JP5837415B2
Application number: JP2011286665A
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Inventors: 喜則大槻; 篠原　政良; 政良篠原; 和郎花田
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Priority date: 2011-01-12
Filing date: 2011-12-27
Publication date: 2015-12-24
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Description

本発明は、例えば粒子状物質等を分析するガス分析システム、これに好適に使用される多段希釈機構、及びこの多段希釈機構に用いられる臨界オリフィス型定流量器の特性測定方法に関するものである。

内燃機関の性能向上によってその排出物質の１つである粒子状物質（ＰＭ：ＰａｒｔｉｃｕｌａｔｅＭａｔｔｅｒｓ）が微量となり、従来のフィルタ重量法では測定が厳しい状況となってきている。そこで、フィルタ重量法の代替法として開発されたものが、排出ガス中のＰＭの数を計測する手法である。その具体的な装置構成としては、例えば粒子数計測装置の前段に、内燃機関の排出ガスをエア等で希釈する希釈ユニットを設け、その希釈した排出ガスの一部を当該粒子数計測装置に導いて、その中に含まれる粒子数をカウントするようにしたものが知られている（特許文献１参照）。

前記希釈ユニットは、入力端と出力端とを連通するメイン流路の途中に希釈用ガス流路が接続されて、入力端から導入された入力ガスに希釈用ガスが混合されて出力端から出力されるという基本構造を有している。

ところで、希釈比を増大させたい場合は、このような希釈ユニットを直列接続するが、単純に接続したのでは、後段の希釈ユニットへの入力ガス流量が大きくなりすぎて希釈できなくなる。そこで、特許文献２に示すように、一部又は全部の希釈ユニットに、メイン流路から分岐してその内部を流れるガスの一部を導出する導出流路を設けて出力ガスの流量を減らすようにしている。

そのために、この導出流路には、例えば、臨界オリフィス型定流量器が設けられて、この導出流路の流量を一定乃至測定できるように構成されている。臨界オリフィス型定流量器とは、その上流側圧力を下流側圧力よりも一定比率以上高くして絞り部分での流速が音速となるようにしたものであり、その流量Ｑは、下式（Ａ）に示すように、上流側圧力Ｐ_１及び温度Ｔにのみ依存して、下流側圧力に依存しないようになる。
Ｑ＝６００・Ｃ・（Ｐ_１＋０．１）・（２９３／Ｔ）^１／２・・・（Ａ）

したがって、吸引ポンプの脈動等に影響を受けず、上流側圧力と温度を一定に保てば一定流量を流すことができ、一方で、上流側圧力及び温度を測定しておけば、そのときの流量を算出することができる。また、このような臨界オリフィス型定流量器においては、使用に先だって、その流量特性を測定する、例えばＣ（音速コンダクタンス）を求める、必要があり、具体的には、既知の流量を流してそのときの圧力と温度を測定し、それらの値からＣを求めるようにしている（以下、この工程を校正とも言う）。

しかして、この種のガス分析システムの場合は、臨界オリフィス型定流量器を校正する際、希釈ユニットの希釈ガス用流路から、流量制御手段によって制御された所定流量の希釈用ガスを、臨界オリフィス型定流量器に導き、そのときの上流側圧力と温度を測定するようにしている。所定流量とは、実際の使用での臨界オリフィス型定流量器に設定する流量のことである。

特開２００６−１９４７２６号公報特開２００８−１６４４４６号公報

ところが、実際の使用において希釈ユニットには、希釈用ガスに加えて入力ガスが導入され、これらが混合して導出流路、すなわち臨界オリフィス型定流量器に流れ込んでくるため、上述した校正時と使用時とでは、状態がかなり異なり、適正な校正になっていない恐れがある。

例えば、校正時と使用時とでは、当該希釈ユニットの流量制御手段で制御される希釈用ガスの流量が異なる。すなわち、使用時には、臨界オリフィス型定流量器に入力ガスの一部も流れ込んでくるので、前記希釈用ガスの流量は、前記校正時よりは小さい値となる。

そうすると、図１に示すように、流量制御手段の流量リニアリティ特性等に誤差があった場合、その誤差分が、臨界オリフィス型定流量器の流量誤差として現れ、ひいては希釈率の誤差となる。ＰＭの計数では、前述したように近時極めて精度の高い測定が求められており、この希釈率の誤差は好ましいものではない。

また、使用時において入力ガスが配管途中で加熱されて高温となる場合などでは、従来のように、単に当該希釈ユニットの希釈用ガスのみを臨界オリフィス型定流量器に流し込んで校正するのでは、ガス温度が使用時と異なってしまい、校正が不十分なものとなったりする。

本発明は、上記問題点を解決すべくなされたものであって、他の希釈ユニットの希釈用ガスをも用いることで、臨界オリフィス型定流量器の特性測定時における状態を実際の使用時の状態に可及的に近づけ、希釈率の誤差を減少することをその主たる所期課題とするものである。

すなわち、請求項１の発明に係る臨界オリフィス型定流量器の特性測定方法は、入力ガスが導かれる入力端と出力端とを接続するメイン流路の途中に合流点を設定し、この合流点に流量制御手段が設けられた希釈用ガス流路を接続することで、予め定めた希釈率となる所定流量の希釈用ガスが当該メイン流路に導入されるように構成した希釈ユニットを複数直列に接続しておき、なおかつ、前記希釈ユニットの一部又は全部には、メイン流路の途中に分岐点を設定し、この分岐点に、臨界オリフィス型定流量器が設けられた導出流路を接続して該メイン流路から一定流量のガスが導出されるように構成した希釈機構に適用されるものである。

そして、一の希釈ユニットの導出流路に対し、当該希釈ユニットにおける希釈用ガス流路からの希釈用ガスと、１以上の他の希釈ユニットにおける希釈用ガス流路からの希釈用ガスとを、それらの合計流量が前記一定流量と等しくなるように、なおかつ、当該希釈ユニットからの希釈用ガスの流量が前記所定流量と等しくなるように流しておき、そのときの当該導出流路における臨界オリフィス型定流量器の少なくとも上流側圧力に基づいて、当該臨界オリフィス型定流量器の流量特性を測定することを特徴とするものである。

このようなものであれば、校正時には、他の希釈ユニットからの希釈用ガスを模擬入力ガスとし、当該一の希釈ユニットの希釈用ガスを使用時と同じ流量だけ流して、この希釈用ガスの流量制御手段の動作ポイントを、使用時と校正時とで一致させるので、上述した誤差を低減できる。これは、後述する請求項２の発明と比して、特に校正を頻繁に行う場合に有効である。

請求項２の発明に係る臨界オリフィス型定流量器の特性測定方法は、前記同様の希釈機構に適用されるものであって、一の希釈ユニットの導出流路に対し、当該希釈ユニットにおける希釈用ガス流路からの希釈用ガスと、１以上の他の希釈ユニットにおける希釈用ガス流路からの希釈用ガスとを、それらの合計流量が前記一定流量と等しくなるように、なおかつ、当該希釈ユニットからの希釈用ガスの流量による前記他の希釈ユニットからの希釈用ガスの流量の希釈率が、前記予め定めた希釈率と等しくなるように流しておき、
そのときの当該導出流路における臨界オリフィス型定流量器の少なくとも上流側圧力に基づいて、当該臨界オリフィス型定流量器の流量特性を測定することを特徴とする。

このようなものでも、従来に比べて、使用時と校正時の状態が近づくので、前述同様の効果を得られる。また請求項１の発明に比べて希釈率を頻繁に変える場合に有効となる。

請求項３に係る発明は、前記他の希釈ユニットを、前記一の希釈ユニットに隣接する上流又は下流いずれかの希釈ユニットとしたものであり、このようなものであれば、入力ガスの経路が使用時により近づき、温度を使用時と校正時とで同等にし易くなるので、さらに望ましい。

請求項４の発明に係る希釈機構は、入力ガスが導かれる入力端と出力端とを接続するメイン流路の途中に合流点を設定し、この合流点に流量制御手段が設けられた希釈用ガス流路を接続することで、予め定めた希釈率となる所定流量の希釈用ガスが当該メイン流路に導入されるように構成した希釈ユニットを複数直列に接続しておき、なおかつ、前記希釈ユニットの一部又は全部には、メイン流路の途中に分岐点を設定し、この分岐点に、臨界オリフィス型定流量器が設けられた導出流路を接続して該メイン流路から一定流量のガスが導出されるように構成したものである。

そして、一の希釈ユニットの導出流路に対し、当該希釈ユニットにおける希釈用ガス流路からの希釈用ガスと、１以上の他の希釈ユニットにおける希釈用ガス流路からの希釈用ガスとだけが、流入し得るように構成しておき、そのときの各希釈用ガスの合計流量が前記一定流量と等しく、なおかつ、当該希釈ユニットからの希釈用ガスの流量が前記所定流量と等しくなるように前記流量制御手段を制御するとともに、当該導出流路における臨界オリフィス型定流量器の少なくとも上流側圧力に基づいて、当該臨界オリフィス型定流量器の流量特性を測定する情報処理装置を具備していることを特徴とするものである。
このようなものであれば、請求項１に係る発明と同様の効果を奏し得る。

請求項５の発明に係る希釈機構は、入力ガスが導かれる入力端と出力端とを接続するメイン流路の途中に合流点を設定し、この合流点に流量制御手段が設けられた希釈用ガス流路を接続することで、予め定めた希釈率となる所定流量の希釈用ガスが当該メイン流路に導入されるように構成した希釈ユニットを複数直列に接続しておき、なおかつ、前記希釈ユニットの一部又は全部には、メイン流路の途中に分岐点を設定し、この分岐点に、臨界オリフィス型定流量器が設けられた導出流路を接続して該メイン流路から一定流量のガスが導出されるように構成したものである。

そして、一の希釈ユニットの導出流路に対し、当該希釈ユニットにおける希釈用ガス流路からの希釈用ガスと、１以上の他の希釈ユニットにおける希釈用ガス流路からの希釈用ガスとだけが、流入し得るように構成しておき、そのときの各希釈用ガスの合計流量が前記一定流量と等しく、なおかつ、当該希釈ユニットからの希釈用ガスの流量による前記他の希釈ユニットからの希釈用ガスの流量の希釈率が、前記予め定めた希釈率と等しくなるように前記流量制御手段を制御するとともに、当該導出流路における臨界オリフィス型定流量器の少なくとも上流側圧力に基づいて、当該臨界オリフィス型定流量器の流量特性を測定する情報処理装置を具備していることを特徴とする。
このようなものであれば、請求項２に係る発明と同様の効果を奏し得る。

請求項６の発明に係るガス分析システムは、請求項５記載の希釈機構を有するガス分析システムであって、初段の希釈ユニットに導かれ、最終段の希釈ユニットから出力された内燃機関の排出ガスの成分を分析する成分分析手段を具備していることを特徴とする。
このようなものであれば、請求項１等に係る発明の効果がより顕著となる。

請求項７の発明に係るガス分析システムは、前記成分分析手段が、臨界オリフィス型定流量手段を内部に備えたものであって、前記希釈ユニットからの希釈用ガスのみが、予め定められた流量だけ該成分分析手段に流入し得るように構成しておき、前記情報処理装置が、そのときの成分分析手段の少なくとも上流側圧力に基づいて、当該成分分析手段の流量特性を測定するものであることを特徴とする。

このようなものであれば、成分分析手段の流量特性をも精度よく測定することができる。
より具体的には、前記成分分析手段が、排出ガス中の粒子状物質を計数する粒子状物質計数器であることが望ましい。

上述したように、本発明によれば、希釈ユニットに用いられる臨界オリフィス型定流量器の流量特性測定（校正）時も、使用時とほぼ同一の条件（例えば温度、圧力、流量）を作り出すことができるので、その特性測定精度を大幅に向上させることができ、希釈ユニットの希釈精度を高めることができる。また、その結果として、この種の希釈ユニットを
用いたガス分析システム等の測定精度を向上させることが可能になる。

誤差の要因を説明した説明図である。本発明の一実施形態に係るガス分析システムを内燃機関に接続した全体分析システムを示す概略図である。同実施形態におけるガス分析システムの内部構造を示すとともに、その使用時でのガスの流れを表示した流体回路図である。同実施形態における粒子状物質計数手段の内部構造を模式的に示した模式図である。同実施形態におけるガス分析システムの内部構造を示すとともに、その定流量器ＣＦＯ１を校正するときのガスの流れを表示した流体回路図である。同実施形態におけるガス分析システムの内部構造を示すとともに、その定流量器ＣＦＯ２を校正するときのガスの流れを表示した流体回路図である。同実施形態におけるガス分析システムの内部構造を示すとともに、粒子状物質計数手段を校正するときのガスの流れを表示した流体回路図である。

以下に本発明に係るガス分析システムの一実施形態について図面を参照して説明する。

図２に示すように、本実施形態に係るガス分析システム１００は、内燃機関Ｅｇの排気管Ｅｘから分岐する分岐流路Ｔｄを介して測定ガスである排出ガスの一部をサンプリングし、その中に含まれる固体粒子であるＰＭの数を計数するものである。なお、ここで言う排出ガスとは、内燃機関から排出される生の排出ガスであるが、例えば、全流希釈トンネルや分流希釈トンネルで希釈された排出ガスであっても構わない。すなわち、本願における排出ガスとは、生の排出ガスの他に、上述したような希釈された排出ガスも含む意味である。
次に、このガス分析システム１００の内部構造を図３を参照して説明する。

図３における符号ＰＩは、排出ガス導入ポートを示している。内燃機関Ｅｇの排出ガスは、前記分岐流路Ｔｄからこの排出ガス導入ポートＰＩを介して内部に導かれる。そして、この排出ガスは、ガス分析システムに設けられた希釈機構３によって希釈された後、その後段に接続された成分分析手段たる粒子状物質計数手段ＣＰＣに導かれて、その内部に含まれるＰＭの数が計数される。
次に各部を説明する。
前記希釈機構３は、直列に設けられた３段の希釈ユニット３１，３２，３３からなる。

各希釈ユニット３１，３２，３３は、入力ガスが導かれる入力端３１ｉ，３２ｉ，３３ｉ及び出力端３１ｏ，３２ｏ，３３ｏを接続するメイン流路Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３と、このメイン流路Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３の途中に設定してある合流点Ｌ１ａ，Ｌ２ａ，Ｌ３ａに接続された希釈用ガス流路Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３とを基本構成として具備するものである。この希釈用ガス流路Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３には、それぞれ流量制御手段（ここではマスフローコントローラ）ＭＦＣ１，ＭＦＣ２，ＭＦＣ３が設けてあり、この流量制御手段ＭＦＣ１，ＭＦＣ２，ＭＦＣ３によって希釈用ガスの流入流量を制御することで、前記入力ガスを所定希釈率で希釈し、その希釈した混合ガスが出力されるように構成してある。

初段希釈ユニット３１は、その入力端３１ｉが前記排出ガス導入ポートＰＩに接続され、その出力端３１ｏが、中段希釈ユニット３２の入力端３２ｉに接続されたものである。メイン流路Ｌ１における前記合流点Ｌ１ａよりも下流側には分岐点Ｌ１ｂが設定してあって、この分岐点Ｌ１ｂに導出流路Ｅ１が接続してある。この導出流路Ｅ１の末端には吸引ポンプＰ１が、また、その途中には臨界オリフィス型定流量器ＣＦＯ１が設けてあり、メイン流路Ｌ１を流れるガスのうちの予め定めた一定流量のガスがこの導出流路Ｅ１から導出され、残りのガスが前記出力端３１ｏから出力されるように構成してある。前記臨界オリフィス型定流量器ＣＦＯ１は、背景技術でも述べたように、その上流側圧力を下流側圧力よりも一定比率以上高くして絞り部分での流速が音速となるようにし、その流量が、上流側圧力及び温度にのみ依存して、下流側圧力に依存しないようにしたものである。

なお、メイン流路Ｌ１に設けられた符号３１１は、サイクロン等のダスト除去手段である。また、希釈用ガス流路Ｄ１から分岐して導出流路Ｅ１に接続された流路Ｄ１‘は、後述する校正時に用いられるバイパス流路である。さらに、排出ガス導入ポートＰＩからダスト除去手段３１１までは、温調器Ｔ１によって第１温度（ここでは例えば約４０〜５０℃）に保たれている。また符号Ｖ１〜Ｖ６は開閉バルブである。

中段希釈ユニット３２は、前述した基本構成を有するもので、その出力端３２ｏはエバポレータユニットＥＵを介して最終段の希釈ユニット３３に接続されている。このものは、初段の希釈ユニット３１のような導出流路は具備していない。前記エバポレータユニットＥＵは、ここでは揮発性の粒子を除去することを主たる目的として配設してあり、例えば約３００〜４００℃に保たれている。また、前記ダスト除去手段３１１からエバポレータユニットＥＵに至る初段及び中段の希釈ユニット３１、３２におけるメイン流路Ｌ１，Ｌ２及びこの中段希釈ユニット３２における流量制御手段ＭＦＣ２の近傍を除く希釈ガス流路Ｄ２は、温調器Ｔ２によって第２温度（ここでは例えば約１５０〜２５０℃）に保たれている。これは配管内壁へのＰＭの付着や凝集等を防止して、計数誤差を抑制するためである。

最終段の希釈ユニット３３は、その入力端３３ｉが前記エバポレータユニットＥＵの出口に接続され、その出力端３３ｏが前記粒子状物質計数手段ＣＰＣに接続されたものである。メイン流路Ｌ３には、前記合流点Ｌ３ａより下流側に分岐点Ｌ３ｂが設定してあって、この分岐点Ｌ３ｂに導出流路Ｅ３が接続してある。この導出流路Ｅ３の末端には吸引ポンプＰ２が、また、その途中には臨界オリフィス型定流量器ＣＦＯ２が設けてあり、メイン流路Ｌ３を流れるガスから予め定めた一定流量のガスが当該導出流路Ｅ３から導出され、残りのガスが前記粒子状物質計数手段ＣＰＣに導入されるように構成してある。なお、前記粒子状物質計数手段ＣＰＣの出口は導出流路Ｅ３の末端部に接続してあり、前記吸引ポンプＰ２がこれら導出流路Ｅ３及び粒子状物質計数手段ＣＰＣに共通に用いられている。

前記粒子状物質計数手段ＣＰＣは、図４に示すように、導入されたガスを、アルコールやブタノールなどの有機ガスを含む過熱部Ａ１に導き、さらにその後、凝縮部Ａ２で冷却することによって、排出ガス中のＰＭに有機ガスを凝縮付着させて、このＰＭを大きな径に成長させ、成長したＰＭをスリットＡ３から排出して、出てきた粒子をレーザ光Ｒにて計数するものである。この粒子状物質計数手段ＣＰＣは、下流に臨界オリフィス型定流量手段を有し、粒子状物質計数手段ＣＰＣには一定流量のガスが流れることになる。

さらにこの実施形態では、前記流量制御手段等を制御する情報処理装置７を設けている。この情報処理装置は、ＣＰＵ、メモリ、入力手段、ディスプレイ等を備え、メモリに格納した所定プログラムにしたがってＣＰＵや周辺機器が協働して動作する汎用乃至専用のいわゆるコンピュータであり、この実施形態では、前記プラグラムによって、この情報処理装置７が、希釈ガス制御部７１としての機能を少なくとも果たすように構成してある。
以上に構成したガス分析システム１００の使用時の動作を以下に説明する。
まず、前提としてバルブＶ１、Ｖ３、Ｖ４、Ｖ５、Ｖ６を開けるとともにバルブＶ２を閉じておく。

しかして、定流量器ＣＦＯ１を流れる流量がＱ_ｂ１、定流量器ＣＦＯ２を流れる流量がＱ_ｂ２、粒子状物質計数手段ＣＰＣを流れる流量がＱ_ＣＰＣに設定されており、また、各希釈ユニット３１〜３３での希釈率（入力ガス流量／入力ガス流量＋希釈用ガス流量）が、それぞれＲ_ｄ１、Ｒ_ｄ２、Ｒ_ｄ３に定められていたとする。
ここで、Ｒ_ｄ１、Ｒ_ｄ２、Ｒ_ｄ３は下記の式（１）〜（３）で表される。
Ｒ_ｄ１＝ｑ_ｉｎ１／（ｑ_ｉｎ１＋ｑ_ｄ１）・・・（１）
Ｒ_ｄ２＝ｑ_ｉｎ２／（ｑ_ｉｎ２＋ｑ_ｄ２）・・・（２）
Ｒ_ｄ３＝ｑ_ｉｎ３／（ｑ_ｉｎ３＋ｑ_ｄ３）・・・（３）

なお、Ｒ_ｄ１、Ｒ_ｄ２、Ｒ_ｄ３は、それぞれ初段希釈ユニット３１、中段希釈ユニット３２、最終段希釈ユニットで３３の希釈率、ｑ_ｉｎ１、ｑ_ｉｎ２、ｑ_ｉｎ３は、それぞれ初段希釈ユニット３１、中段希釈ユニット３２、最終段希釈ユニットで３３への入力ガス流量、ｑ_ｄ１、ｑ_ｄ２、ｑ_ｄ３は、それぞれ初段希釈ユニット３１、中段希釈ユニット３２、最終段希釈ユニットで３３での希釈用ガス流量である。

したがって、各希釈用ガス流路Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３を流れる希釈用ガスの流量は以下の式（４）〜（６）ように定まり、前記希釈ガス制御部７１は、その流量を目標値として各流量制御手段ＭＦＣ１，ＭＦＣ２，ＭＦＣ３に与え、各流量制御手段は、前記目標値となるように希釈用ガス流量を制御する。
ｑ_ｄ１＝（１−Ｒ_ｄ１）・（ｑ_ｉｎ２＋Ｑ_ｂ１）
＝（１−Ｒ_ｄ１）・｛Ｒ_ｄ２・Ｒ_ｄ３・（Ｑ_ｂ２＋Ｑ_ＣＰＣ）＋Ｑ_ｂ１｝・・・（４）
ｑ_ｄ２＝（１−Ｒ_ｄ２）・ｑ_ｉｎ３
＝（１−Ｒ_ｄ２）・Ｒ_ｄ３・（Ｑ_ｂ２＋Ｑ_ＣＰＣ）・・・（５）
ｑ_ｄ３＝（１−Ｒ_ｄ３）・（Ｑ_ｂ２＋Ｑ_ＣＰＣ）・・・（６）
なお、このときに排出ガス導入ポートＰＩから導入される排出ガスの流量ｑ_ｅｘは、以下の式から導くことができる。
ｑ_ｅｘ＝Ｒ_ｄ１・｛Ｒ_ｄ２・Ｒ_ｄ３・（Ｑ_ｂ２＋Ｑ_ＣＰＣ）＋Ｑ_ｂ１｝・・・（７）
具体的な数値を挙げて説明する。

定流量器ＣＦＯ１の流量Ｑ_ｂ１＝４．５Ｌ／ｍｉｎ、定流量器の流量Ｑ_ｂ２＝３．５Ｌ／ｍｉｎ、粒子数計数手段を流れる流量Ｑ_ｃｐｃ＝０．５Ｌ／ｍｉｎ、希釈率Ｒ_ｄ１＝１／１０、希釈率Ｒ_ｄ２＝１／２、希釈率Ｒ_ｄ３＝１／５に定めたとする。

そうすると、前式から、実際の使用時に各希釈ガス用流路Ｄ１〜Ｄ３に流すべき流量は、ｑ_ｄ１＝４．４１Ｌ／ｍｉｎ、ｑ_ｄ２＝０．４Ｌ／ｍｉｎ、ｑ_ｄ３＝３．２Ｌ／ｍｉｎとなる。また、排出ガスの導入流量ｑ_ｅｘ＝０．４５Ｌ／ｍｉｎとなる。

なお、この使用時の希釈用ガスの流量から、流量制御手段ＭＦＣ１には、ｍａｘ５．５Ｌ／ｍｉｎ、流量制御手段ＭＦＣ２には、ｍａｘ１．０Ｌ／ｍｉｎ、流量制御手段ＭＦＣ３には、ｍａｘ５．５Ｌ／ｍｉｎのものを用いている。
しかして、この実施形態では、前記各定流量器ＣＦＯ１，ＣＦＯ２の使用に先立っての特性測定（校正）を以下のように行っている。
最初に初段希釈ユニット３１の定流量器ＣＦＯ１に係る校正について説明する。

まず、この定流量器ＣＦＯ１に対して、使用時に流れるガスと等流量の希釈用ガスを校正ガスとして導入する。
具体的には、図５に示すように、バルブＶ１、Ｖ３、Ｖ４、Ｖ５を閉じるとともにバルブＶ２、Ｖ６を開けておき、当該初段希釈ユニット３１の希釈用ガス流路Ｄ１と中段希釈ユニット３２の希釈用ガス流路Ｄ２とからだけ、かつ、それらを流れる希釈ガスの全てが、初段希釈ユニット３１の定流量器ＣＦＯ１に流れ込むようにする。また、温調機構Ｔ２を調整して、使用時と略同じ温度のガスが定流量器ＣＦＯ１に流れ込むようにしておく。

このとき、当該初段希釈ユニット３１の希釈用ガス流路Ｄ１には、流量制御手段ＭＦＣ１を調整して、使用時と同じ流量のガスが流れるようにする。前記数値例で言えば、４．４１Ｌ／ｍｉｎである。

そして、定流量器ＣＦＯ１の所定流量である４．５Ｌ／ｍｉｎに足りない分の０．０９Ｌ／ｍｉｎを、入力ガスに見立てて中段希釈ユニット３２の希釈用ガス流路Ｄ２から初段希釈ユニット３１の入力ガスに代替するものとして与える。

そして、この状態での定流量器ＣＦＯ１の上流側圧力と温度を圧力センサＰ１及び温度センサＴ１で測定して、例えば前記式（Ａ）に代入し、この定流量器ＣＦＯ１の音速コンダクタンスＣを特定する。

次に、最終段希釈ユニット３３の定流量器ＣＦＯ２の校正について説明する。
図６に示すように、バルブＶ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４、Ｖ６を閉じるとともにバルブＶ５を開けておき、当該最終段希釈ユニット３３の希釈用ガス流路Ｄ３と中段希釈ユニット３２の希釈用ガス流路Ｄ２とからだけ、かつ、それらを流れる希釈ガスの全てが、最終段希釈ユニット３３の定流量器ＣＦＯ２に流れ込むようにする。また、エバポレータユニットＥＵを動作させるとともに温調機構Ｔ２を調整して、使用時と略同じ温度のガスが定流量器ＣＦＯ２に流れ込むようにしておく。

このとき、当該最終段希釈ユニット３３の希釈用ガス流路Ｄ３には、流量制御手段ＭＦＣ３を調整して、使用時と同じ流量のガスが流れるようにする。前記数値例で言えば、３．２Ｌ／ｍｉｎである。そして、定流量器ＣＦＯ２の所定流量である３．５Ｌ／ｍｉｎに足りない分の０．３Ｌ／ｍｉｎを、入力ガスに見立てて、中段希釈ユニット３２の希釈用ガス流路Ｄ２から最終段希釈ユニット３３の入力ガスに代替するものとして与える。

そして、この状態での定流量器ＣＦＯ２の上流側圧力と温度を圧力センサＰ２及び温度センサＴ２で測定して、例えば前記式（Ａ）に代入し、この定流量器ＣＦＯ２の音速コンダクタンスＣを特定する。

なお、上述した校正に係る各動作、例えばバルブＶ１〜Ｖ６の開閉、流量制御手段ＭＦＣ１〜ＭＦＣ３の制御、圧力・温度の測定、音速コンダクタンスＣの算出・記憶は、全て情報処理装置７が自動で行い、オペレータは単に校正する旨の命令入力をするだけでよい。もちろん、オペレータが逐次手作業で設定や算出してもよい。

さらにこの実施形態では、粒子状物質計数手段ＣＰＣの流量校正も行うようにしている。このときは、図７に示すように、バルブＶ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ６を閉じるとともにバルブＶ４、Ｖ５を開け、最終段希釈ユニット３３の希釈用ガス流路Ｄ３と中段希釈ユニット３２の希釈用ガス流路Ｄ２とからだけ、かつ、それらを流れる希釈ガスの全てが、定流量器ＣＦＯ２及び粒子状物質計数手段ＣＰＣのスリットＡ３に流れ込むようにする。また、エバポレータユニットＥＵを動作させるとともに温調機構Ｔ２を調整して、そのガスが使用時と略同じ温度となるようにしておく。

すでに定流量器ＣＦＯ２の校正は終了しているので、ここには３．５Ｌ／ｍｉｎが流れる。一方で、粒子状物質計数手段ＣＰＣには、使用時と同じ流量である０．５Ｌ／ｍｉｎを流すため、最終段希釈ユニット３３の希釈用ガス流路Ｄ３からは、使用時と同じ３．２Ｌ／ｍｉｎを流し、足りない０．８Ｌ／ｍｉｎを入力ガスに見立てて、これを中段希釈ユニット３２の希釈用ガス流路Ｄ２から供給する。

そして、この状態での粒子状物質計数手段ＣＰＣの上流側圧力と温度を圧力センサＰ２及び温度センサＴ３で測定して、例えば前記式（Ａ）に代入し、粒子状物質計数手段ＣＰＣの音速コンダクタンスＣを特定する。

しかして、このようなものであれば、校正時には、他の希釈ユニットからの希釈用ガスを模擬入力ガスとし、当該一の希釈ユニットの希釈用ガスを使用時と同じ流量だけ流して、この希釈用ガスの流量制御手段の動作ポイントを、使用時と校正時とで一致させるので、流量制御手段の誤差を低減できる。かかる態様は、特に校正を頻繁に行う場合に有効である。

また、本実施形態では、他の希釈ユニットとして、一の希釈ユニットに隣接するものを用いていたので、入力ガスの経路を使用状態により近づけることができ、温度を使用時と校正時とで同等にし易くなるといった効果を得られる。
なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。

例えば、前記実施形態では、１つの希釈ユニットにおいて、その希釈用ガスの流量を使用時と同じ流量としていたが、希釈率が使用時と同じになるようにしてもよい。具体例として定流量器ＣＦＯ１に係る校正について言えば、この初段希釈ユニット３１での設定希釈率Ｒ_ｄ１は、１／１０、定流量器ＣＦＯ１の設定流量は４．５Ｌ／ｍｉｎだから、希釈用ガス流路Ｄ１の流量制御手段ＭＦＣ１には、４．５Ｌ／ｍｉｎの９／１０である４．０５Ｌ／ｍｉｎを流し、中断希釈ユニット３２の希釈用ガスを入力ガスとして、ここから残りの０．４５Ｌ／ｍｉｎを流す。これにより、この初段希釈ユニット３１での入力ガスと希釈用ガスの希釈率が使用時と等しくなる。

このようなものであれば、希釈率を使用時と校正時とで合致させることができるので、前述同様の効果を得られる。また、請求項１の発明に比べて希釈率を頻繁に変える場合に有効となる。なお、希釈率を小さくしていけば、究極的には、この態様と前記実施形態とでは、同一のものとなる。

また、模擬入力ガスとして導かれる希釈用ガスは、他のどの希釈ユニットでもよいし、複数を用いてもよいが、入力ガスの流量に近い流量制御レンジを有する他の流量制御手段の希釈ガスを用いることが、精度の点ではより好ましい。したがって、希釈率の設定によっては、校正に用いる他の希釈ユニットを変更してもよい。
さらに、希釈ユニットは２つでもよいし、４つ以上でも構わない。希釈機構は、ガス分析システム以外のものにも適用可能である。

前記成分分析手段としては、粒子状物質計数手段に限られるものではない。例えば、非分散赤外吸収法（ＮＤＩＲ）分析手段、水素炎イオン化法（ＦＩＤ）分析手段、化学発光法（ＣＬＤ）分析手段、等様々な内燃機関の排出ガスの成分分析を行うためのものであっても構わない。更にこの場合、臨界オリフィス型定流量手段や、マスフローメータ、マスフローコントローラ、キャピラリ等、ガス流量を計測もしくは制御できる手段を設けることで、より正確なガスサンプリング、及び、ガス分析システムの流量制御ができる。

その他、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。

１００・・・ガス分析システム
３・・・希釈機構
３１，３２，３３・・・希釈ユニット
３１ｉ，３２ｉ，３３ｉ・・・入力端
３１ｏ，３２ｏ，３３ｏ・・・出力端
Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３・・・メイン流路
Ｌ１ａ，Ｌ２ａ，Ｌ３ａ・・・合流点
Ｌ１ｂ，Ｌ３ｂ・・・分岐点
Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３・・・希釈用ガス流路
Ｅ１、Ｅ３・・・導出流路
ＭＦＣ１，ＭＦＣ２，ＭＦＣ３・・・流量制御手段
ＣＦＯ１，ＣＦＯ２・・・臨界オリフィス型定流量器

Claims

入力ガスが導かれる入力端と出力端とを接続するメイン流路の途中に合流点を設定し、この合流点に流量制御手段が設けられた希釈用ガス流路を接続することで、予め定めた希釈率となる所定流量の希釈用ガスが当該メイン流路に導入されるように構成した希釈ユニットを複数直列に接続しておき、なおかつ、前記希釈ユニットの一部又は全部には、メイン流路の途中に分岐点を設定し、この分岐点に、臨界オリフィス型定流量器が設けられた導出流路を接続して該メイン流路から一定流量のガスが導出されるように構成した希釈機構に適用される、前記臨界オリフィス型定流量器の特性測定方法であって、
一の希釈ユニットの導出流路に対し、当該希釈ユニットにおける希釈用ガス流路からの希釈用ガスと、１以上の他の希釈ユニットにおける希釈用ガス流路からの希釈用ガスとを、それらの合計流量が前記一定流量と等しくなるように、なおかつ、当該希釈ユニットからの希釈用ガスの流量が前記所定流量と等しくなるように流しておき、
そのときの当該導出流路における臨界オリフィス型定流量器の少なくとも上流側圧力及び温度に基づいて、当該臨界オリフィス型定流量器の流量特性を測定することを特徴とする定流量器特性測定方法。
入力ガスが導かれる入力端と出力端とを接続するメイン流路の途中に合流点を設定し、この合流点に流量制御手段が設けられた希釈用ガス流路を接続することで、予め定めた希釈率となる所定流量の希釈用ガスが当該メイン流路に導入されるように構成した希釈ユニットを複数直列に接続しておき、なおかつ、前記希釈ユニットの一部又は全部には、メイン流路の途中に分岐点を設定し、この分岐点に、臨界オリフィス型定流量器が設けられた導出流路を接続して該メイン流路から一定流量のガスが導出されるように構成した希釈機構に適用される、前記臨界オリフィス型定流量器の特性測定方法であって、
一の希釈ユニットの導出流路に対し、当該希釈ユニットにおける希釈用ガス流路からの希釈用ガスと、１以上の他の希釈ユニットにおける希釈用ガス流路からの希釈用ガスとを、それらの合計流量が前記一定流量と等しくなるように、なおかつ、当該希釈ユニットからの希釈用ガスの流量による前記他の希釈ユニットからの希釈用ガスの流量の希釈率が、前記予め定めた希釈率と等しくなるように流しておき、
そのときの当該導出流路における臨界オリフィス型定流量器の少なくとも上流側圧力及び温度に基づいて、当該臨界オリフィス型定流量器の流量特性を測定することを特徴とする定流量器特性測定方法。
前記他の希釈ユニットが、前記一の希釈ユニットに隣接する上流又は下流いずれかの希釈ユニットである請求項１又は２記載の定流量器特性測定方法。
入力ガスが導かれる入力端と出力端とを接続するメイン流路の途中に合流点を設定し、この合流点に流量制御手段が設けられた希釈用ガス流路を接続することで、予め定めた希釈率となる所定流量の希釈用ガスが当該メイン流路に導入されるように構成した希釈ユニットを複数直列に接続しておき、なおかつ、前記希釈ユニットの一部又は全部には、メイン流路の途中に分岐点を設定し、この分岐点に、臨界オリフィス型定流量器が設けられた導出流路を接続して該メイン流路から一定流量のガスが導出されるように構成した希釈機構において、
一の希釈ユニットの導出流路に対し、当該希釈ユニットにおける希釈用ガス流路からの希釈用ガスと、１以上の他の希釈ユニットにおける希釈用ガス流路からの希釈用ガスとだけが、流入し得るように構成しておき、
そのときの各希釈用ガスの合計流量が前記一定流量と等しく、なおかつ、当該希釈ユニットからの希釈用ガスの流量が前記所定流量と等しくなるように前記流量制御手段を制御するとともに、当該導出流路における臨界オリフィス型定流量器の少なくとも上流側圧力及び温度に基づいて、当該臨界オリフィス型定流量器の流量特性を測定する情報処理装置を具備していることを特徴とする希釈機構。
入力ガスが導かれる入力端と出力端とを接続するメイン流路の途中に合流点を設定し、この合流点に流量制御手段が設けられた希釈用ガス流路を接続することで、予め定めた希釈率となる所定流量の希釈用ガスが当該メイン流路に導入されるように構成した希釈ユニットを複数直列に接続しておき、なおかつ、前記希釈ユニットの一部又は全部には、メイン流路の途中に分岐点を設定し、この分岐点に、臨界オリフィス型定流量器が設けられた導出流路を接続して該メイン流路から一定流量のガスが導出されるように構成した希釈機構において、
一の希釈ユニットの導出流路に対し、当該希釈ユニットにおける希釈用ガス流路からの希釈用ガスと、１以上の他の希釈ユニットにおける希釈用ガス流路からの希釈用ガスとだけが、流入し得るように構成しておき、
そのときの各希釈用ガスの合計流量が前記一定流量と等しく、なおかつ、当該希釈ユニットからの希釈用ガスの流量による前記他の希釈ユニットからの希釈用ガスの流量の希釈率が、前記予め定めた希釈率と等しくなるように前記流量制御手段を制御するとともに、当該導出流路における臨界オリフィス型定流量器の少なくとも上流側圧力及び温度に基づいて、当該臨界オリフィス型定流量器の流量特性を測定する情報処理装置を具備していることを特徴とする希釈機構。
入力ガスが導かれる入力端と出力端とを接続するメイン流路の途中に合流点を設定し、この合流点に流量制御手段が設けられた希釈用ガス流路を接続することで、予め定めた希釈率となる所定流量の希釈用ガスが当該メイン流路に導入されるように構成した希釈ユニットを複数直列に接続しておき、なおかつ、前記希釈ユニットの一部又は全部には、メイン流路の途中に分岐点を設定し、この分岐点に、臨界オリフィス型定流量器が設けられた導出流路を接続して該メイン流路から一定流量のガスが導出されるように構成した希釈機構において、
一の希釈ユニットの導出流路に対し、当該希釈ユニットにおける希釈用ガス流路からの希釈用ガスと、１以上の他の希釈ユニットにおける希釈用ガス流路からの希釈用ガスとだけが、流入し得るように構成しておき、
そのときの各希釈用ガスの合計流量が前記一定流量と等しく、なおかつ、当該希釈ユニットからの希釈用ガスの流量が前記所定流量と等しくなるように前記流量制御手段を制御しつつ、前記臨界流量型オリフィスに流入する希釈用ガスの温度が予め定めた所定温度となるように温調機構により温調するとともに、当該導出流路における臨界オリフィス型定流量器の少なくとも上流側圧力に基づいて、当該臨界オリフィス型定流量器の流量特性を測定する情報処理装置を具備していることを特徴とする希釈機構。
入力ガスが導かれる入力端と出力端とを接続するメイン流路の途中に合流点を設定し、この合流点に流量制御手段が設けられた希釈用ガス流路を接続することで、予め定めた希釈率となる所定流量の希釈用ガスが当該メイン流路に導入されるように構成した希釈ユニットを複数直列に接続しておき、なおかつ、前記希釈ユニットの一部又は全部には、メイン流路の途中に分岐点を設定し、この分岐点に、臨界オリフィス型定流量器が設けられた導出流路を接続して該メイン流路から一定流量のガスが導出されるように構成した希釈機構において、
一の希釈ユニットの導出流路に対し、当該希釈ユニットにおける希釈用ガス流路からの希釈用ガスと、１以上の他の希釈ユニットにおける希釈用ガス流路からの希釈用ガスとだけが、流入し得るように構成しておき、
そのときの各希釈用ガスの合計流量が前記一定流量と等しく、なおかつ、当該希釈ユニットからの希釈用ガスの流量による前記他の希釈ユニットからの希釈用ガスの流量の希釈率が、前記予め定めた希釈率と等しくなるように前記流量制御手段を制御しつつ、前記臨界流量型オリフィスに流入する希釈用ガスの温度が予め定めた所定温度となるように温調機構により温調するとともに、当該導出流路における臨界オリフィス型定流量器の少なくとも上流側圧力に基づいて、当該臨界オリフィス型定流量器の流量特性を測定する情報処理装置を具備していることを特徴とする希釈機構。
請求項４、５、６又は７記載の希釈機構を有するガス分析システムであって、初段の希釈ユニットに導かれ、最終段の希釈ユニットから出力された内燃機関の排出ガスの成分を分析する成分分析手段を具備しているガス分析システム。
前記成分分析手段が、臨界オリフィス型定流量手段を内部に備えたものであって、前記希釈ユニットからの希釈用ガスのみが、予め定められた流量だけ該成分分析手段に流入し得るように構成しておき、
前記情報処理装置が、そのときの成分分析手段の少なくとも上流側圧力及び温度に基づいて、当該成分分析手段の流量特性を測定する請求項８記載のガス分析システム。
前記成分分析手段が、排出ガス中の粒子状物質を計数する粒子状物質計数器である請求項８又は９記載のガス分析システム。