JP6242316B2 - 濃度検出装置 - Google Patents
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Description
本技術分野の背景技術として、例えば特許第４９４９９７６（特許文献１）がある。本公報には課題として「ＰＭなどのマイクロ波を吸収する粒子状物質の捕集分布を、非破壊で、容易にかつ高い精度で検出することを解決すべき課題とする」と記載があり、解決手段として「粒子状物質の捕集分布検出方法の特徴は、粒子状物質が捕集されたセラミックス製の捕集容器に対して外部からミリ波レベルのマイクロ波を照射し、捕集容器を透過したマイクロ波の強度を検出し、予め決められたマイクロ波強度と捕集量との関係式に強度を代入して粒子状物質の捕集量を演算する工程を捕集容器の複数箇所についてそれぞれ行い、捕集された粒子状物質の捕集容器内における捕集分布を検出することにある。」と記載されている。
ガソリンエンジンの排ガスから、カーボン粒子、硫黄系粒子などのＰＭを取り除くことを目的して、エンジン排気管に排ガス浄化装置が搭載されている。排ガス浄化装置としては、セラミックスからなるハニカム状のフィルタを搭載した浄化装置が一般的である。ただし、長時間使用すると、ＰＭが堆積することで、目詰まりを起こし、排気抵抗が増大するため、ＰＭを除去する必要がある。このため、自動車では排ガスに燃料剤等を添加し、酸化触媒と燃焼させることにより、強制的に浄化を行っている。このとき、フィルタに捕集されたＰＭの量が多い場合には、局所的な熱上昇が発生し、フィルタの溶損することが課題となる。また、ＰＭの量が少ない場合には、燃料を無駄に消費してしまうことが課題となる。
これに対し、特許文献１では、セラミックス製の捕集容器に対して外部からミリ波レベルのマイクロ波を照射し、捕集容器を透過したマイクロ波の強度を検出し、予め決められたマイクロ波強度と捕集量との関係式に強度を代入して粒子状物質の捕集量を演算することで、ＰＭの捕集量をモニタしている。マイクロ波は、ＰＭ以外に水分に吸収される特徴がある。特許文献１では、水分センサを用いてその差分を補正しているが、実際の水分センサは精度が低いため、特許文献１のＰＭ計測方法には、大きな誤差があることが課題となっている。
そこで、本発明では例えばＰＭなどの粒子状物質を、高精度に検出する装置を提供することを目的とする。
上記目的は、特許請求の範囲に記載の発明によって達成できる。本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、ガスが通過する配管と、第１の電磁波を発生させる第１の発振部と、発生された前記第１の電磁波が前記ガスに入射する光路を走査させる第１のガルバノミラーと、前記配管に対向して配置された第１のレンズ及び第２のレンズと、前記第１のガルバノミラーで走査された光路で前記第１の電磁波が前記ガスを透過した第１の透過波を、前記第１のレンズ及び前記第２のレンズを介して検出する第１の検出部と、第２の電磁波を発生させる第２の発振部と、前記第２の電磁波が前記ガスを透過した第２の透過波を検出する第２の検出部と、前記第１の検出部で検出した第１の透過波と前記第２の検出部で検出した第２の透過波に基づいて、前記ガスに含まれる所定の成分の濃度を求める演算部と、を備える濃度検出装置である。
本発明によれば、例えばＰＭなどの粒子状物質を、高精度に検出する装置を提供することが出来る。
図１に本実施例における，ＰＭ（Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ）濃度測定器の構成を模式図で示す。ＰＭ濃度測定器は，エンジン排気用の配管１と排気ガス用のフィルタ２に対して，フィルタよりも排気上流側に配置された第一の発振部３と検出器５，フィルタよりも排気下流側に配置された第二の発振部４と検出器６とコントローラ７とからなる。ここで、第一の発振部３と第二の発振部４が発する電磁波は、例えば、非水素結合物質を透過する周波数であって、排ガス微粒子成分のカーボン成分、有機溶媒成分に吸収され易い周波数、例えば０．３ＴＨｚから３．０ＴＨｚのテラヘルツ波帯域を使う。
第一の発振部３と検出器５，第一の発振部４と検出器６はそれぞれ発振部から出射した光が光検出器で受光できるように配管に対して対向した位置に配置されている。
テラヘルツ波は半導体，セラミック，紙等に対してはある程度透過し，水に対しては吸収し，金属に対しては反射する特性を持つ。配管については発振部から出射したテラヘルツ光がある程度透過するように材料を選定するか，もしくは発振部および光検出器の部分のみテラヘルツ光がある程度透過する材料としておく。
第一の発振部３から出射した光量をＩ０，電磁波の配管による吸収率をα，水分による吸収率をβ，ＰＭによる吸収率をγ，フィルタの排気上流側で検出器５が配管を通して受光した受光量をＩ１とすると，Ｉ１は配管，水分，ＰＭの吸収による影響を受けるため，
Ｉ１＝αβγＩ０・・・（数１）
となる。一方，第二の発振部４から出射した光量を第一の発振部３と同じくＩ０として，フィルタの排気下流側で検出器６が配管を通して受光した受光量をＩ２とすると，Ｉ２は配管，水分の吸収による影響を受けるが，ＰＭはほぼ除去されて影響が無いものとして，
Ｉ２＝αβＩ０・・・（数２）
となる。したがって，両者を測定し，比率を取ることにより，次式の通りＰＭによる吸収率を求めることができる。
Ｉ１＝αβγＩ０・・・（数１）
となる。一方，第二の発振部４から出射した光量を第一の発振部３と同じくＩ０として，フィルタの排気下流側で検出器６が配管を通して受光した受光量をＩ２とすると，Ｉ２は配管，水分の吸収による影響を受けるが，ＰＭはほぼ除去されて影響が無いものとして，
Ｉ２＝αβＩ０・・・（数２）
となる。したがって，両者を測定し，比率を取ることにより，次式の通りＰＭによる吸収率を求めることができる。
Ｉ１／Ｉ２＝γ・・・（数３）
ＰＭの吸収率はＰＭの濃度に比例するため，算出したγよりＰＭ濃度を算出することができる。コントローラ７は発振部および検出器の制御および上記演算を行う。
ＰＭの吸収率はＰＭの濃度に比例するため，算出したγよりＰＭ濃度を算出することができる。コントローラ７は発振部および検出器の制御および上記演算を行う。
本実施例によれば，水分の吸収の影響をキャンセルし，精度良くリアルタイムで排気ガスのフィルタ前のＰＭ濃度を測定することが可能となる。
図２に本実施例の演算フローを示す。まず，第一の発振部３と第二の発振部４をともに光量Ｉ０で発光させ，検出器５と検出器６によりそれぞれ受光量Ｉ１とＩ２を測定する（２１）。次に数3式からＰＭの吸収率γを演算する（２２）。最後にＰＭ濃度とＰＭの吸収率の関係からＰＭ濃度を演算する（２３）。
なお，フィルタの排気上流側と下流側でそれぞれ透過光量を測定できれば良いため，発振部や検出器は必ずしも２組配置する必要は無く，例えば図３に示す通り，１組の発振部と光検出器を用いて，分岐して用いても構わない。図３では発振部３１を光スイッチ３２により，排気上流側のプローブ３３もしくは排気下流側のプローブ３４に任意に切り替えられる構成としている。また，受光側についても，排気上流側のプローブ３５と排気下流側のプローブ３６を光スイッチ３７で任意に切り替え，検出器３８により受光できる構成としている。光スイッチ３２，３７により排気上流側のプローブ３３，３５を選択していれば，数１で表される光量Ｉ1の測定が可能であり，光スイッチ３２，３７により排気下流側のプローブ３４，３６を選択していれば，数２式で表される光量Ｉ2の測定が可能である。
図４に図３の構成とした場合の演算フローを示す。まず，光スイッチ３２，３７により発振部と光検出器の光路を排気上流側に設定し（４１），発振部３１を光量Ｉ0で発光させ，検出器３８により受光量Ｉ1を測定する（４２）。次に，光スイッチ３２，３７により発振部と光検出器の光路を排気下流側に設定し（４３），第一の発振部３１を光量Ｉ0で発光させ，検出器３８により受光量Ｉ2を測定する（４４）。次に数3からＰＭの吸収率γを演算する（４５）。最後にＰＭ濃度とＰＭの吸収率の関係からＰＭ濃度を演算する（４６）。
図３の構成とすることにより，図１の構成と比べて，発振部と検出器の数を少なくし，低コストでＰＭ濃度測定器を構成することが可能となる。
この他，駆動部を持たせてフィルタの排気上流側と排気下流側を交互に測定することによって，受光量Ｉ1，Ｉ2を測定し，ＰＭ濃度を算出することも可能である。
本実施例では、２つの異なる波長の電磁波を用い、それぞれの出射強度と透過強度を測定した結果から、水分や温度等の環境条件による影響が排除されたPMに起因する吸収のみを受けた透過率を得ることを可能とする。以下において詳細を説明する。
ここで前記電磁波は、非水素結合物質を透過する周波数であって、排ガス微粒子成分のカーボン成分、有機溶媒成分に吸収され易い周波数、例えば０．３ＴＨｚから３．０ＴＨｚのテラヘルツ波帯域を使い、以下説明するがＰＭ等に対して感度がある周波数であるならば、前記周波数に限定することはなく、如何なる周波数であってもよい。
はじめに、図5を用いて、本実施例における粒子状物質の検出装置の構成を説明する。501は流路外壁部、502は入射窓、503は放射窓、504は内容物、505は第一の発振部、506は第一の出射強度モニタ、507は第二の発振部、508は第二の出射強度モニタ、509は第一の電磁波、510は第二の電磁波、511は第一の透過強度検出器、512は第二の透過強度検出器、513はサンプリング部 、514は演算部、515はPMに起因する成分の透過率情報、をそれぞれ表す。流路外壁部 501は、PMを含む排気が流れる管路の壁面である。入射窓502と放射窓503はそれぞれ電磁波を流路内に導入する窓と、流路を透過した電磁波を外部に導出する窓である。内容物 504は管路内に存在する物体であり、大別するとPM、ガス(水蒸気、二酸化炭素など)、排気フィルタ等の設置物である。このうちのPMの量が測定対象であるが、ガス成分の変動も検出量に影響を与える。
第一の発振部 505と第二の発振部 507は、それぞれ第一の電磁波 509、第二の電磁波 510を出射する、電磁波の発振装置である。第一の電磁波 509、第二の電磁波 510はそれぞれ異なる波長の電磁波であり、ともに入射窓502と放射窓503を介して、管路の内容物 504を経た透過波を第一の透過強度検出器 511, 第二の透過強度検出器 512に照射する。なお、第一の発振部 505と第二の発振部 507にはそれぞれ出射した電磁波の強度を検出し、検出結果に対応した信号を出力する第一の出射強度モニタ 506、第二の出射強度モニタ 507を内部に設ける。
第一の透過強度検出器 511と第二の透過強度検出器 512はそれぞれ管路の内容物504を透過した第一の電磁波 509、第二の電磁波 510の強度を検出して、検出結果に対応した信号を出力する。サンプリング部513は第一の出射強度モニタ 506、第二の出射強度モニタ 507、第一の透過強度検出器 511と第二の透過強度検出器 512の4要素の出力をサンプリングし、その情報を演算部 514に出力する。
演算部 514は、サンプリング部 513でサンプリングされた、それぞれの透過強度および出射強度の情報と、予め定めた固定的な装置パラメータとに基づく演算処理を行う。これにより、水分や温度などの環境条件の影響をキャンセルしたPMの存在量による透過率変動成分(PMに起因する成分の透過率情報 515)を算出できる。
なお、本実施例で不要成分のキャンセルを効果的に行うためには、第一の電磁波 509と第二の電磁波 510が内容物504内の同一の状態(ガスおよびPMの濃度分布および電磁波の伝搬距離)の経路を伝搬させるのが望ましい。より具体的には、第一の電磁波509と第二の電磁波 510は内容物内でなるべく近接し、かつ互いに平行な伝搬経路となるように配置するのが望ましく、より理想的には、電磁波の中心が同軸となるように配置を定めるとよい。
次に、図５の構成の装置を用いた測定の考え方について説明する。
数４の右辺と左辺は、ともに波長λの電磁波における入射窓502から放射窓503まで全体の透過率を表している。なお、以下の数式において”(λ)”との記述を添えたパラメータは、波長によって異なる値を示すパラメータであり、特に()内の波長の電磁波に対する値であることを表す。数４で表すように、全体の透過率I(λ)/ I 0 (λ)は、Trid(λ)とTrpm(λ)とTrgas(λ)の３つの透過率要素の積と見なすことができる。I 0 (λ)は、波長λの電磁波の発振部からの出射強度を表し、第一の出射強度モニタ 506、第二の出射強度モニタ 507で検出する強度に相当する。I(λ)は内容物の透過を経た電磁波の強度を表し、第一の透過強度検出器 511と第二の透過強度検出器 512で検出する強度に相当する。これらの比であるI(λ)/ I 0 (λ)は、入射窓502から放射窓503まで全体の透過率を表す。
Trid(λ)は、装置固有の固定的な部位の透過率を表しており、入射窓502、放射窓503や、内容物 504のうち、PMを除く固体の物体(排気フィルタなど)に起因する吸収分による透過率成分である。Trid(λ)は内部のPMおよび気体の吸収が無視できる条件下(例えば、出荷時に真空もしくは乾燥空気中)で透過率を測定することで求める。Trpm(λ)は内容物 504のうち、PMに起因する吸収分による透過率成分であり、本実施例で測定対象とする値である。Trgas(λ)は内容物 504のうち、内部の気体(水蒸気や二酸化炭素など)起因する吸収分による透過率成分である。内部の気体による電磁波の吸収量は、気体の成分比と濃度に依存し常に変化するため、事前に求めた値を適用すると誤差が生じる。
Trpm(λ)とTrgas(λ)については、ランベルト・ベールの法則に従い、数５の関係が成立する。
数５において、εgas(λ), εpm(λ)はそれぞれ波長λの電磁波に対する内容物中の気体とPMの吸光係数を表す。Cgas, Cpmは内容物中の気体とpmの濃度を表す。Lは測定空間内の電磁波の伝搬距離を表す。なお、Cgas, CpmとLは電磁波の波長に依存せず、共通である。一方で、εgas(λ)、εpm(λ) は、波長に加えて内容物中の気体およびPMの成分比にも依存し、装置の動作状態に応じて常に変動する。
そこで、本実施例で用いる第一の電磁波 509の波長(λ1とおく)と 第二の電磁波510の波長(λ2とおく)に関して、数６に示す拘束条件が成立するような波長を選択する。
すなわち、波長λ1におけるPMの吸光係数εPM(λ1)に対する波長λ2におけるPMの吸光係数εPM(λ2)の比が、PMの成分比によらず一定値(値をαとおく)となるようにする。また同時に波長λ1におけるガスの吸光係数εgas(λ1)に対する波長λ2におけるガスの吸光係数εgas(λ2)の比が、ガスの成分比によらず一定値(値をβとおく)となるようにする。なお、αとβは異なる値とする。たとえばPMの透過率に影響を与える主要な成分(たとえば炭素、炭化水素、サルフェートなど)の各々についてλ1とλ2に対する吸光係数の値が一律にαとなると同時に、ガスの透過率に影響を与える主要な成分(たとえば水蒸気、二酸化炭素など)の各々について、λ1とλ2に対する吸光係数の比が一律にβとなるように波長λ1とλ2を選べばこのような拘束条件を満たすことができる。なお、以下では2つの電磁波のうち、波長λ1の方でのPMに起因する吸収分による透過率成分Trpm(λ1)をPM量検出のための指標とすることを前提として説明する。
数４, 数５, 数６の関係に基づくと、波長λ1となる第一の電磁波 509 に対するPMに由来する透過率成分Trpm(λ1)は数７のように求めることができる。
α,βは、測定前に波長λ1,λ2を定めると決まるパラメータである。また、Trid(λ1), Trid(λ2)はそれぞれ波長λ1,λ2の電磁波における装置固有の固定的な部位の透過率であり、測定前(たとえば出荷時)に事前に求めておくパラメータである。したがって、数４により、これらの測定前に定めるパラメータに加えて、第一の出射強度モニタ 506、第二の出射強度モニタ 507で検出する出射強度I0(λ1), I0(λ2)および第一の透過強度検出器 511と第二の透過強度検出器 512で検出する透過強度に相当するI(λ1), I(λ2)が得られれば、PMに由来する透過率成分Trpm(λ1)を求めることができる。
なお、透過率からPMの量を測定するためには、PMによって電磁波が適度に吸収される必要がある。PMは数10GHzから数THzの範囲の電磁波に対して適度に吸収することので、第一の電磁波 509と第二の電磁波 510のうち、PMの透過率を求める電磁波の波長(数７の例ではλ1)については、この範囲となるように選択する。
以上の述べた図５の構成の装置と数７の関係を適用してPMに由来する透過率成分Trpm(λ1)を求める手順を、図6を用いて説明する。なお、図6の処理に先んじて、処理に用いる2つの電磁波(第一の電磁波 509と第二の電磁波 510)について、それぞれの波長におけるPMおよびガスの吸光係数の値の比がそれぞれ成分に依らず一定になるように、波長λ1, λ2とPMおよびガスの吸光係数の比α, βの値を定めておく。また、装置固有の固定的な部位の透過率Trid(λ1), Trid(λ2)を内部のPMおよび気体の吸収が無視できる条件下(例えば、出荷時に真空もしくは乾燥空気中)で測定しておく。
図6において、SP601は第一の電磁波 509と第二の電磁波 510の出射を開始するステップである。SP602は固定パラメータをロードするステップである。SP603はそれぞれの電磁波の透過・出射強度信号の出力を開始するステップである。SP604は透過および出射の強度を表す信号をサンプリングするステップである。SP605はPMによる透過率成分を算出するステップである。
SP601では第一の発振部 505と第二の発振部 507からそれぞれ予め定めた波長λ1, λ2の第一の電磁波 509と第二の電磁波 510の出射を開始する。続いて、SP602では、演算部 514の用いるパラメータとして、処理前に定めたPMおよびガスの吸光係数の比α, βと装置固有の固定的な部位の透過率Trid(λ1), Trid(λ2)を与える。SP601とSP602の順番は入れ替わっても構わない。
SP603ではSP601で出射を開始した第一の電磁波 509と第二の電磁波 510について、出射強度I0(λ1), I0(λ2)を第一の出射強度モニタ 506、第二の出射強度モニタ 507で検出し、その検出量に応じた信号の出力を開始する。また、それぞれの透過強度I(λ1), I(λ2)を第一の透過強度検出器 511と第二の透過強度検出器 512とで検出し、その検出量に応じた信号の出力を開始する。
SP604では、SP603で出力を開始した4つの信号をサンプリング部 513でサンプリングし、取得した情報を演算部 514に渡す。なおPMおよびガスの分布や成分の時間変動の影響を排除するために、出射強度I0(λ1), I0(λ2)、透過強度I(λ1), I(λ2)に応じた4つの信号のサンプリングは同一タイミングで行うのが望ましい。
SP605では、SP604でサンプリングされた出射強度I0(λ1), I0(λ2)、透過強度I(λ1), I(λ2)に応じた4つの信号と、SP602で与えられたPMおよびガスの吸光係数の比α, βと装置固有の固定的な部位の透過率Trid(λ1), Trid(λ2)を用い、演算部514が数4に示した演算式に基づいてPMに起因する成分の透過率情報Trpm(λ1)を求める。Trpm(λ1)の値の算出においては、透過率測定時に誤差要因となる気体成分の濃度、成分の変動の影響が排除されており、実際のPMの存在量との相関が改善される。これによって、Trpm(λ1)により精度よくPMの存在量を推定することが可能となる。
以上に述べた、図５の装置および図6の測定方法により、２つの異なる波長の電磁波を用い、それぞれの出射強度と透過強度を測定した結果から水分や温度等の環境条件による影響を排除することで、PMに起因する吸収のみを受けた透過率を得ることが可能となる効果が得られる。この値を用いることで、精度よくPMの存在量を推定することが可能である。
図７に本実施例の排ガスフィルタ後の排ガス内に含まれる粒子状物質（Particulate Matter：PM)検出手段について説明する。
図７に本実施例の排ガス内ＰＭ検出構成図を示す。図７において、３００はエンジン排気管、３０１は第一のフィルタ、３０２は第一の配管、３０３は第二の配管、３０４は第二のフィルタ、３０５は第一の分離配管であり電磁波を透過し易く且つ熱に強い例えばセラミック配管、３０６は第二の分離配管であり電磁波を透過し易く且つ熱に強い例えばセラミック配管、３０７、３０８は第一の発振部、第二の発振部、３０９、３１０は検出器、３１１は合成配管、３１２は排ガス出口部、３２１は演算部、３２２はＰＭ量算出結果出力端子である。
ここで前記電磁波は、非水素結合物質を透過する周波数であって、排ガス微粒子成分のカーボン成分、有機溶媒成分に吸収され易い周波数、例えば０．３ＴＨｚから３．０ＴＨｚのテラヘルツ波帯域を使い以下にＰＭ検出構成を説明するが、ＰＭに対して感度がある周波数であるならば、前記周波数に限定することはなく、如何なる周波数であってもよい。
エンジンからの排ガスは、エンジン排気管３００を解して矢印３１３にて伝達され、第一のフィルタ３０１に入力する。第一のフィルタ３０１は、例えば耐熱性に優れたセラミック材質で構成し、該第一のフィルタ３０１を排ガスが通過することで、排ガスに含まれているＰＭの例えば９割以上を除去する。
第一のフィルタ３０１にて排ガスからＰＭがほぼ１割以下に除去された排ガス１は、第一の配管３０２と第二の配管３０３に各々矢印３１４ならびに矢印３１５にて入力する。第一の配管３０２ならびに第二の配管３０３は、前記電磁波を透過し易い材料、例えばセラミック材料で構成された第一の分離配管３０５と第二の分離配管３０６に接続される。
第一の分離配管３０５には、第二のフィルタ３０４を備え、第一のフィルタ３０１にてＰＭがほぼ除去された排ガス１を、前記第二のフィルタ３０４によりさらにＰＭを除去したとして 矢印３１６へ送出する。一方、第一のフィルタ３０１にてＰＭがほぼ除去された排ガス１は、第二の分離配管３０６へ送出する。第一の分離配管３０５と第二の分離配管３０６の下流部においては、再び前記排ガス２の矢印３１６と排ガス１の矢印３１７が合流して、合成配管３１１にて、排ガス出口部３１２から矢印３１８にて排ガスが外へ出力される。
第一の分離配管３０５と第二の分離配管３０６には夫々第一の発振部３０７、第二の発振部３０８ならびに第一の検出器３０９，第二の検出器３１０を備え、電磁波出射方向と垂直並列配置にて各々の発振部と検出器を配置した。この配置は、両者電磁波の相互干渉が最小限にできる構成であればいずれの配置であっても良い。
図８に第一の分離配管３０５と第二の分離配管３０６の断面図を示す。第一の発振部３０７から出射された電磁波３１９は、第一の検出器３０９にて受信さて、第二の発振部３０８から出射された電磁波３２０は、第二の検出器３１０にて受信される第一の分離配管３０５ならびに第二の分離配管３０６内のＰＭを含む排ガスに対して、電磁波を通過させることで、該電磁波は、排ガスに含まれるＰＭの含有量に応じて電磁波が吸収された結果、電磁波の透過率が変わり、前記各々の検出器にて電磁波強度を計測することで、排ガス内のＰＭ含有量を測定することができる。
一方、テラヘルツ帯域の電磁波は、空気中の水分に吸収される性質を持つため、前記配管内湿度の影響で、ＰＭの測定結果が変動する。また前記配管内の温度の影響によっても、ＰＭ密度の測定結果にドリフトが発生するため、これら湿度、温度の外的要因を排除したテラヘルツ帯域の電磁波透過法によるＰＭ含有量の検出が必要である。
そこで、外的要因(例えば、湿度、温度)の影響を受けないＰＭ含有量検出が必要である
図９に、ＰＭ含有量に対する電磁波透過率の特性を示す。ＰＭ含有量が多くなるほど、電磁波はＰＭに吸収されて、検出器へ到達しなくなり、透過率は低下する特性を示す。ここで、湿度環境を２つ、湿度Ａ≧湿度Ｂの同特性を示す。湿度が高い(湿度Ａ）は、湿度Ｂと比較して透過率が一律低下している特性を示す。これば水分に電磁波が吸収された分、透過率が低下ドリフトした特性を示す。
図９に、ＰＭ含有量に対する電磁波透過率の特性を示す。ＰＭ含有量が多くなるほど、電磁波はＰＭに吸収されて、検出器へ到達しなくなり、透過率は低下する特性を示す。ここで、湿度環境を２つ、湿度Ａ≧湿度Ｂの同特性を示す。湿度が高い(湿度Ａ）は、湿度Ｂと比較して透過率が一律低下している特性を示す。これば水分に電磁波が吸収された分、透過率が低下ドリフトした特性を示す。
次に、図１０にＰＭを含まない空気における湿度に対する透過率特性を示す。
湿度が高くなるにつれて透過率は低下する。前記湿度の影響をキャンセルするために、第一のフィルタ３０１後の排ガス１のＰＭ含有量測定では、湿度の影響を排除するため、前記第一のフィルタ３０１後の排ガス１をさらに前記第二のフィルタ３０４にてＰＭを除去した排ガス２を生成する。
第一の分離配管３０５と第二の分離配管３０６の内部の湿度、温度は略同じであることから、前記排ガス２の電磁波透過率を示す第一の検出器３０９と前記排ガス１の電磁波透過率を示す第二の検出器３１０との比を演算部３２１にて算出することで、外的要因(例えば、湿度、温度)を低減したＰＭ含有量の計測が提供できる。すなわち本実施例の排ガスに含まれるＰＭ含有量の検出手段によれば、排ガス管内の湿度、温度の影響に左右されないで精度高く検出することができる。
図１１は本発明の第４の実施例に係るフィルタのＰＭの捕集分布計測装置の構成を示したものである。本実施例は実施例１に対し、エンジン側のＰＭ計測系が発振部５３０、ガルバノミラー５３１、スキャナレンズ５３２、スキャナレンズ５３３、検出器５３５となっている。本実施例は実施例１に対してフィルタのＰＭ堆積量の２次元画像化が行えることが特徴である。それ以外は実施例１と同様であるため本実施例では、実施例１との差分であるエンジン部の計測系について説明を行う。
本実施例では、発振部５３０を出射した略平行の電磁波はガルバノメータ５３１を反射し、エンジン配管内のフィルタに入射する。フィルタを透過した電磁波は、スキャナレンズ５３３を経て、検出器５３５に入射する。
ここで、ガルバノミラー５３１は、回転駆動アクチュエータ７１１の回転軸を中心に回転し、角度を変更することができる。回転駆動アクチュエータ７１１の回転角は、角度検出器７１２により検出されて制御部１へ入力される。制御部１は、前記ガルバノミラーが所定角度に位置決め制御する様に回転駆動アクチュエータ７１１へ駆動制御信号を送出する。例えば前記の制御部１は、ガルバノミラー５３１を所定角度範囲、例えば３０degの角度を往復動作するように制御することで、前記略平行の電磁波をスキャン動作することができ、エンジン配管内の断面方向を均一に電磁波を通過させることができる。
このとき、検出器５３５の信号を検出することで、ＰＭと水分の吸収率を検出することができる。ここで、エンジン配管内の水分密度はほぼ同じであることと、ガルバノミラー５３１の角度により、エンジン配管内の伝播距離が既知であることを利用すると、フィルタ内のＰＭ堆積量を２次元画像化することができる。これについては、実施例１と同様の理由である。
本実施例ではフィルタ通過後の水分検出に関しては、実施例１と同じ構成としたが、これには限定されずエンジン側と同様にガルバノミラーを用いて、エンジン配管内に入射する電磁波の位置を変化させても良い。また、本実施例では、実施例１の構成としていたが、これには限定されず、実施例２、実施例３の構成で用いても良い。さらに、本実施例では、フィルタに堆積したＰＭを測定する目的で、エンジン部に配置したが、例えば、車両の排気部に、ＰＭ検出用装置として配置しても良い。この場合には、例えば、ＰＭ検出用装置にフィルタを搭載し、図１１のように前後に測定系を構成しても良い。
さらに、本実施例では、エンジン配管内を透過した電磁波をスキャナレンズ５３３により検出器５３５に入射しているが、半導体素子を用いた検出器では位置ずれ等が課題となる。このため、例えば半導体素子への入射角度に応じて光量低下分を学習し、それを用いて補正しても良い。
この補正光学制御手段について以下に説明する。前記検出器での位置ずれを補正するために、前記スキャナレンズ５３３からの光軸をガルバノミラー５３４で一旦受けて、検出器５３７へ反射する構成とした。ガルバノミラー５３４は、回転駆動アクチュエータ７１４の回転軸を中心に回転し、角度を変更することができる。回転駆動アクチュエータ７１４の回転角は、角度検出器７１５により検出されて制御部２へ入力される。ガルバノミラー５３４は、ガルバノミラー５３１に対して連携同期した駆動が必要である。そこで同期制御部７１６は、制御部１の７１０へガルバノミラー５３１の位置プロファイルを送出しガルバノミラー５３１の位置情報受信する、一方同期制御部７１６は、制御部２の７１３へガルバノミラー５３４の位置プロファイルを送出して、ガルバノミラー５３１と５３４は同期したスキャン動作を実現する。検出器５３７への光軸位置ずれ補正は、検出器５３７に設けた位置センサ７１７により前記光軸位置を検出し、該検出信号を制御部２へ入力することで、制御部２の７１３はガルバノミラー５３４を回転位置制御にて、光軸位置補正動作することで検出器５３７の所定位置に光軸をコントロールすることができる。
次に前記位置センサ７１７について説明する。
次に前記位置センサ７１７について説明する。
ガルバノミラー５３４を反射した電磁波は、回折素子などの分岐素子５３６により、メインとサブのマイクロ波に分岐され、検出器５３７に入射する。図１３は、検出器５３７の受光部とメインとサブのマイクロ波の関係を示したものである。ここで、（Ｂ）は、検出器５３７に入射するマイクロ波が最適な状態を示しており、（Ａ）は、＋側にずれた場合を示しており、（Ｃ）は、−側にずれた場合を示している。検出器５３７はメイン受光部７００、サブ検出部７０１、サブ検出部７０２の３つの受光部を有している。また、サブのマイクロ波６０１とサブのマイクロ波６０２の間隔よりも、サブ検出部７０１とサブ検出部７０２の間隔が大きくなっている。ここでは、サブ検出部７０１、サブ検出部７０２の差動信号を用いてガルバノミラー５３４を制御することを特徴としている。以下に安定した信号検出が可能な理由を示す。
図１３（Ａ）場合には、サブ検出部７０１にサブのマイクロ波６０１が一致しているため、サブ検出部７０２の信号に対し、大きな信号となる。このため差動信号はプラスになる。それに対し、（Ｃ）の場合には同様にしてマイナスとなる。このため、（Ａ）の場合には、マイナス側に制御し、（Ｃ）の場合にはプラス側に制御することで、（Ｂ）の状態に安定制御することが可能となる。
なお、ここでは検出器５３７の信号をもとに制御を行ったが、例えば位置ずれ量を予め学習しておき、その学習結果をもとに制御しても良い。
本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
３００・・・エンジン廃棄管、
３０１・・・第一のフィルタ、
３０２・・・第一の配管、
３０３・・・第二の配管、
３０４・・・第二のフィルタ、
３０５・・・第一の分離配管、
３０６・・・第二の分離配管、
３０７、３０８・・・発信器、
３０９、３１０・・・検出器、
３１１・・・合成配管、
３１２・・・排ガス出口部、
３１９・・・電磁波、
３２１・・・演算部、
３２２・・・ＰＭ量算出結果出力端子
５３０・・・発信部、
５３１・・・ガルバノミラー５３１、
５３２・・・スキャナレンズ
５３３・・・スキャナレンズ、
５３５・・・検出器、
５３６・・・分岐素子、
３０１・・・第一のフィルタ、
３０１・・・第一のフィルタ、
３０２・・・第一の配管、
３０３・・・第二の配管、
３０４・・・第二のフィルタ、
３０５・・・第一の分離配管、
３０６・・・第二の分離配管、
３０７、３０８・・・発信器、
３０９、３１０・・・検出器、
３１１・・・合成配管、
３１２・・・排ガス出口部、
３１９・・・電磁波、
３２１・・・演算部、
３２２・・・ＰＭ量算出結果出力端子
５３０・・・発信部、
５３１・・・ガルバノミラー５３１、
５３２・・・スキャナレンズ
５３３・・・スキャナレンズ、
５３５・・・検出器、
５３６・・・分岐素子、
３０１・・・第一のフィルタ、
Claims (5)
- ガスが通過する配管と、
第１の電磁波を発生させる第１の発振部と、
発生された前記第１の電磁波が前記ガスに入射する光路を走査させる第１のガルバノミラーと、
前記配管に対向して配置された第１のレンズ及び第２のレンズと、
前記第１のガルバノミラーによって走査された光路で前記第１の電磁波が前記ガスを透過した第１の透過波を、前記第１のレンズ及び前記第２のレンズを介して検出する第１の検出部と、
第２の電磁波を発生させる第２の発振部と、
前記第２の電磁波が前記ガスを透過した第２の透過波を検出する第２の検出部と、
前記第１の検出部で検出した第１の透過波と前記第２の検出部で検出した第２の透過波に基づいて、前記ガスに含まれる所定の成分の濃度を求める演算部と、
を備える濃度検出装置。 - 請求項１に記載の濃度検出装置であって、
前記配管内に前記ガスをフィルタリングするフィルタが配置され、
前記第１の発振部と前記第１の検出部は前記フィルタよりも上流側に配置され、
前記第２の発振部と前記第２の検出部は前記フィルタよりも下流側に配置される、
濃度検出装置。 - 請求項１に記載の濃度検出装置であって、
前記第１の電磁波と前記第２の電磁波はそれぞれ異なる波長である、
濃度検出装置。 - 請求項１に記載の濃度検出装置であって、
前記配管内に配置される前記ガスをフィルタリングする第１のフィルタと、
前記第１のフィルタを通過したガスを分岐させる第１の配管及び第２の配管と、
前記第１の配管内に配置される第２のフィルタと、を備え、
前記第１の検出部は、前記第１の電磁波が前記第２のフィルタを通過した後のガスを透過した前記第１の透過波を検出し、
前記第２の検出部は、前記第２の電磁波が前記第２の配管中のガスを透過した前記第２の透過波を検出する、
濃度検出装置。 - 請求項１に記載の濃度検出装置であって、
前記第１の電磁波が前記ガスを出射した光路を調整する第２のガルバノミラーと、
を備え、
前記第２のガルバノミラーは、前記第１の検出部の信号をもとに制御される、
濃度検出装置。
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| KR20190080015A (ko) * | 2017-12-28 | 2019-07-08 | 한국기계연구원 | 메타물질에 기반한 물질 검출 장치 |
| KR102009489B1 (ko) | 2017-12-28 | 2019-08-09 | 한국기계연구원 | 메타물질에 기반한 물질 검출 장치 |
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