JP6277938B2 - Gas analyzer - Google Patents

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Description

本発明は、レーザ吸収分光法を利用して気体中の特定ガス量情報(密度・分圧・濃度)を計測するガス分析装置に関し、特に、半導体製造装置における真空領域中や煙道中や燃焼プロセス中や内燃機関(エンジン)の測定対象ガス(吸排気)中や燃料電池における流路中や地球温暖化ガス等の特定ガス量情報を計測するガス分析装置に関する。   The present invention relates to a gas analyzer that measures specific gas amount information (density / partial pressure / concentration) in a gas by using laser absorption spectroscopy, and more particularly, in a vacuum region, a flue, or a combustion process in a semiconductor manufacturing apparatus. The present invention relates to a gas analyzer that measures specific gas amount information such as inside a measurement target gas (intake and exhaust) of an internal combustion engine (engine), in a flow path of a fuel cell, and a global warming gas.

従来、エンジン等の内燃機関からの排ガス中に含まれる炭化水素(Hydro Carbon)濃度(以下、「成分濃度」という)を測定するために、FID(Flame Ionization Detector)法やNDIR(Non‐Dispersive Infrared Red)法と呼ばれる測定方法を用いた排ガス分析装置が知られている。   Conventionally, in order to measure hydrocarbon (Hydro Carbon) concentration (hereinafter referred to as “component concentration”) contained in exhaust gas from an internal combustion engine such as an engine, the FID (Frame Ionization Detector) method or NDIR (Non-Dispersive Infrared) 2. Description of the Related Art An exhaust gas analyzer using a measurement method called “Red” method is known.

また、気体中の酸素濃度を計測する方法の一つとして、酸素分子が特定波長領域(例えば761nm)の光のみを吸収することを利用した吸収分光法が知られている。この吸収分光法は、測定対象ガスに対し非接触での測定が可能であるため、測定対象ガスの場を乱さずに測定対象ガス中の酸素濃度を計測することができ、かつ、極めて短い応答時間で計測することができる。   Further, as one method for measuring the oxygen concentration in a gas, absorption spectroscopy using the fact that oxygen molecules absorb only light in a specific wavelength region (for example, 761 nm) is known. Since this absorption spectroscopy allows non-contact measurement with the measurement target gas, the oxygen concentration in the measurement target gas can be measured without disturbing the measurement target gas field, and the response is extremely short. It can be measured in time.

このような吸収分光法の中でも、特に光源に波長可変半導体レーザ(レーザ素子)を利用した「波長可変半導体レーザ吸収分光法」は、シンプルな装置構成で実現することができる。例えば、「波長可変半導体レーザ吸収分光法」を利用したガス分析装置では、測定対象ガスが所定方向に流れている配管に対して、配管に形成された入射用光学窓と出射用光学窓とを介して、配管を横切って光路(光路長l)が形成されるようにそれぞれ対向して設けられる波長可変半導体レーザと光検出センサ(受光部)とを追加することが一般的である(例えば、特許文献1参照)。   Among such absorption spectroscopy, in particular, “tunable wavelength semiconductor laser absorption spectroscopy” using a tunable semiconductor laser (laser element) as a light source can be realized with a simple apparatus configuration. For example, in a gas analyzer using “wavelength tunable semiconductor laser absorption spectroscopy”, an incident optical window and an output optical window formed in a pipe are connected to a pipe in which a measurement target gas flows in a predetermined direction. It is common to add a wavelength tunable semiconductor laser and a light detection sensor (light receiving unit) provided to face each other so that an optical path (optical path length l) is formed across the pipe (for example, Patent Document 1).

このようなガス分析装置によれば、波長可変半導体レーザから発振された所定波長のレーザ光(測定光)は、配管内を通過する過程で測定対象ガス中に存在する酸素分子の遮光作用によってレーザ光の進行が阻害され、測定対象ガス中における酸素分子の濃度に対応して光検出センサに入射する光量が減少することを利用して、波長可変半導体レーザから発振されたレーザ光の光量に対する光検出センサに入射するレーザ光の光量を計測することによって酸素分子の濃度が算出される。図5は、ガス分析装置で得られた吸収スペクトルの一例を示すグラフである。縦軸は受光強度Iであり、横軸は周波数νである。なお、I(ν)(基準線)は周波数νにおいて酸素分子の吸収を受けなかった場合の受光強度であり、非吸収波長の受光強度Iに基づいて近似式を作成することで導出される。また、図中実線はI(ν)、一点鎖線はI(ν)を示している。 According to such a gas analyzer, laser light (measurement light) of a predetermined wavelength oscillated from a wavelength tunable semiconductor laser is laser-shielded by the shielding action of oxygen molecules present in the measurement target gas in the process of passing through the pipe. Light with respect to the amount of laser light oscillated from the wavelength tunable semiconductor laser by utilizing the fact that the amount of light incident on the light detection sensor is reduced corresponding to the concentration of oxygen molecules in the gas to be measured. The concentration of oxygen molecules is calculated by measuring the amount of laser light incident on the detection sensor. FIG. 5 is a graph showing an example of an absorption spectrum obtained by the gas analyzer. The vertical axis is the received light intensity I, and the horizontal axis is the frequency ν. Note that I 0 (ν) (reference line) is the light reception intensity when oxygen molecules are not absorbed at the frequency ν, and is derived by creating an approximate expression based on the light reception intensity I of the non-absorption wavelength. . In the figure, the solid line represents I 0 (ν), and the alternate long and short dash line represents I (ν).

ここで、図5に示す吸収スペクトルを用いた演算処理の一例について説明する。Lambert-Beerの法則より下記式(1)が成り立つ。   Here, an example of a calculation process using the absorption spectrum shown in FIG. 5 will be described. From Lambert-Beer's law, the following formula (1) holds.

Figure 0006277938
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なお、I(ν)は周波数νにおいて酸素分子の吸収を受けなかった場合の光強度、I(ν)は周波数νにおける透過光強度、c(mol/cm)は酸素分子の数密度、l(cm)は測定対象ガスを通過する光路の長さ、S(T)(cm−1/(mol/cm−2))は所定の吸収線強度における温度Tの関数、f(ν)は吸収プロファイル関数である。
また、図6は、縦軸を−log10(I(ν)/I(ν))とし、横軸を周波数νとしたグラフ(吸光度曲線)である。
Here, I 0 (ν) is the light intensity when oxygen molecules are not absorbed at the frequency ν, I (ν) is the transmitted light intensity at the frequency ν, c (mol / cm 3 ) is the number density of oxygen molecules, l (cm) is the length of the optical path passing through the gas to be measured, S (T) (cm −1 / (mol / cm −2 )) is a function of temperature T at a predetermined absorption line intensity, and f (ν) is Absorption profile function.
FIG. 6 is a graph (absorbance curve) in which the vertical axis is −log 10 (I (ν 0 ) / I 00 )) and the horizontal axis is frequency ν.

このとき、測定対象ガスの全圧pが大気圧である場合には、吸収プロファイル関数f(ν)は下記式(2)のローレンツプロファイルで表される。   At this time, when the total pressure p of the measurement target gas is atmospheric pressure, the absorption profile function f (ν) is represented by the Lorentz profile of the following formula (2).

Figure 0006277938
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なお、νは吸収ピークの中心周波数、νは吸収ピークのローレンツ幅(半値全幅)である。
そして、式(1)に式(2)を代入すると、下記式(3)のようになる。
Note that ν 0 is the center frequency of the absorption peak, and ν L is the Lorentz width (full width at half maximum) of the absorption peak.
Substituting equation (2) into equation (1) yields equation (3) below.

Figure 0006277938
Figure 0006277938

よって、中心周波数νの透過光強度I(ν)は、下記式(4)で表されることになる。 Therefore, the transmitted light intensity I (ν 0 ) at the center frequency ν 0 is expressed by the following formula (4).

Figure 0006277938
Figure 0006277938

したがって、温度Tと光強度変化I(ν)、I(ν)とを得ることができれば、式(4)を用いて酸素分子の数密度cが算出できることになる。 Therefore, if the temperature T and the light intensity changes I (ν) and I 0 (ν) can be obtained, the number density c of oxygen molecules can be calculated using the equation (4).

次に、図7は、波長可変半導体レーザ吸収分光法を利用したガス分析装置の一例を示す概略構成図である。なお、地面に水平な一方向をX方向、地面に水平でX方向と垂直な方向をY方向とし、X方向とY方向とに垂直な方向をZ方向とする。
ガス分析装置101は、光源部10と、受光部20と、温度Tを測定するガス温度センサ32と、マイコンやPCで構成される制御部140とを備える。
Next, FIG. 7 is a schematic configuration diagram showing an example of a gas analyzer using wavelength tunable semiconductor laser absorption spectroscopy. One direction horizontal to the ground is defined as an X direction, a direction horizontal to the ground and perpendicular to the X direction is defined as a Y direction, and a direction perpendicular to the X direction and the Y direction is defined as a Z direction.
The gas analyzer 101 includes a light source unit 10, a light receiving unit 20, a gas temperature sensor 32 that measures a temperature T, and a control unit 140 that includes a microcomputer or a PC.

このようなガス分析装置101は、エンジン(内燃機関)50の燃焼室内に存在する測定対象ガス中の酸素分子(特定ガス)の数密度(特定ガス量情報)cを計測するために用いられる。エンジン50は、シリンダ(筒)51と、シリンダ51内でZ方向と−Z方向とに摺動可能なピストン52と、コンロッド53を介してピストン52と連結されるクランクシャフト(図示略)と、ECU60とを備える。   Such a gas analyzer 101 is used to measure the number density (specific gas amount information) c of oxygen molecules (specific gas) in the measurement target gas existing in the combustion chamber of the engine (internal combustion engine) 50. The engine 50 includes a cylinder (cylinder) 51, a piston 52 slidable in the Z direction and the -Z direction within the cylinder 51, a crankshaft (not shown) coupled to the piston 52 via a connecting rod 53, ECU60.

吸気ポートと排気ポートとは、シリンダ51のヘッドに形成され、燃焼室に対しては、吸気ポートと排気ポートとが連通する。吸気ポートは、吸気通路54に接続され、吸気ポートと燃焼室との間には吸気ポートの燃焼室に対する開閉を行う吸気バルブ56が設けられている。また、排気ポートは、排気通路55に接続され、排気ポートと燃焼室との間には、排気ポートの燃焼室に対する開閉を行う排気バルブ57が設けられている。
また、図示は省略するが、燃焼室には、燃焼室内に燃料を噴射するインジェクタや、燃焼室内の混合気に点火するための点火プラグ等が設けられる。
The intake port and the exhaust port are formed in the head of the cylinder 51, and the intake port and the exhaust port communicate with the combustion chamber. The intake port is connected to the intake passage 54, and an intake valve 56 for opening and closing the intake port with respect to the combustion chamber is provided between the intake port and the combustion chamber. The exhaust port is connected to the exhaust passage 55, and an exhaust valve 57 for opening and closing the exhaust port with respect to the combustion chamber is provided between the exhaust port and the combustion chamber.
Although not shown, the combustion chamber is provided with an injector for injecting fuel into the combustion chamber, an ignition plug for igniting the air-fuel mixture in the combustion chamber, and the like.

ECU60は、クランクシャフト近傍に設けられ、クランク位置やクランク角速度の検出を行う回転センサ等の各種センサからの情報が計測情報として入力され、エンジン50の燃料噴射量や点火時期等の制御を行う。   The ECU 60 is provided in the vicinity of the crankshaft and receives information from various sensors such as a rotation sensor that detects the crank position and crank angular velocity as measurement information, and controls the fuel injection amount and ignition timing of the engine 50.

このようなエンジン50によれば、ピストン52の下降とともに、吸気通路54からの吸気ガスが吸気バルブ56を介して燃焼室に吸入される吸気工程が行われる。吸気工程の後、吸気バルブ56が閉じ、下死点に達したピストン52の上昇により、吸入空気に燃料が噴射された混合気が燃焼室において圧縮される圧縮工程が行われる。ピストン52が上死点近くまで上昇すると、所定のタイミングでの混合気に対する点火によって燃焼工程が行われる。そして、燃焼の圧力によって下降したピストン52が、再度上昇する際に排気バルブ57が開かれ、燃焼室内の燃焼ガスが排気バルブ57を介して排気ガスとして排気通路55に排出される排気工程が行われる。これら吸気工程と圧縮工程と燃焼工程と排気工程との4つの一連の工程が1回のサイクルとなる。   According to such an engine 50, an intake process is performed in which intake gas from the intake passage 54 is drawn into the combustion chamber via the intake valve 56 as the piston 52 descends. After the intake process, the intake valve 56 is closed, and a compression process is performed in which the air-fuel mixture in which fuel is injected into the intake air is compressed in the combustion chamber by the rise of the piston 52 that has reached bottom dead center. When the piston 52 rises to near the top dead center, a combustion process is performed by ignition of the air-fuel mixture at a predetermined timing. Then, when the piston 52 lowered by the combustion pressure rises again, the exhaust valve 57 is opened, and an exhaust process is performed in which the combustion gas in the combustion chamber is discharged as exhaust gas through the exhaust valve 57 to the exhaust passage 55. Is called. A series of four processes including the intake process, the compression process, the combustion process, and the exhaust process constitute one cycle.

そして、シリンダ51の側壁には、入射用光学窓となるレンズ35と、レンズ(入射用光学窓)35に−X方向に距離lを空けて対向配置される出射用光学窓となるレンズ36とが形成されている。
また、燃焼室内には、ガス温度センサ32が設置されており、測定対象ガスの温度Tを所定時間間隔で測定する。このようなガス温度センサ32として、例えば熱電対や白金測温抵抗体やサーミスタ等が用いられる。
On the side wall of the cylinder 51, a lens 35 serving as an entrance optical window, and a lens 36 serving as an exit optical window disposed facing the lens (incident optical window) 35 with a distance l in the −X direction. Is formed.
A gas temperature sensor 32 is installed in the combustion chamber, and measures the temperature T of the measurement target gas at predetermined time intervals. As such a gas temperature sensor 32, for example, a thermocouple, a platinum resistance temperature detector, a thermistor, or the like is used.

光源部10は、半導体レーザ(例えば光通信用分布帰還系形(DFB:distributed feedback)半導体レーザダイオード等)11と、レンズ13と、D/Aコンバータ12とを備える。そして、半導体レーザ11からのレーザ光は、レンズ13と光ファイバ33を介してレンズ35から燃焼室内に−X方向で入射するようになっており、燃焼室内に存在する測定対象ガスに照射されるようになっている。   The light source unit 10 includes a semiconductor laser (for example, a distributed feedback (DFB) semiconductor laser diode for optical communication) 11, a lens 13, and a D / A converter 12. The laser light from the semiconductor laser 11 enters the combustion chamber in the −X direction from the lens 35 via the lens 13 and the optical fiber 33, and is irradiated to the measurement target gas existing in the combustion chamber. It is like that.

また、このような光源部10は、酸素分子の数密度cの連続モニタリングに使用されるときには、半導体レーザ11の温度がペルチェモジュールで設定温度(一定)となるようにPI制御され、半導体レーザ11へ印加する駆動電流値を所定周期で変化させており、具体的には鋸歯形状となる駆動電流値が印加されることにより、所定波長範囲(スイープ幅)のレーザ光を所定周期で半導体レーザ11から発振している。図8は、駆動電流値とレーザ光の発振波長との関係を示す概念図であり、図8(a)は、半導体レーザ11へ印加する駆動電流値の波形図であり、図8(b)は、その駆動電流値が印加された半導体レーザ11から発振されたレーザ光の発振波長の波形図である。図8(a)に示すような駆動電流値の波形や設定温度は、連続モニタリングの開始に際してユーザによって入力されるか予め記憶されており、制御部140から制御信号として光源部10に出力されるようになっている。   Further, when such a light source unit 10 is used for continuous monitoring of the number density c of oxygen molecules, PI control is performed so that the temperature of the semiconductor laser 11 becomes a set temperature (constant) by the Peltier module, and the semiconductor laser 11 The drive current value applied to the semiconductor laser 11 is changed at a predetermined cycle. Specifically, by applying a drive current value having a sawtooth shape, laser light having a predetermined wavelength range (sweep width) is supplied at a predetermined cycle. It oscillates from. FIG. 8 is a conceptual diagram showing the relationship between the drive current value and the oscillation wavelength of the laser beam, and FIG. 8A is a waveform diagram of the drive current value applied to the semiconductor laser 11, and FIG. These are waveform diagrams of the oscillation wavelength of laser light oscillated from the semiconductor laser 11 to which the drive current value is applied. The waveform and set temperature of the drive current value as shown in FIG. 8A are input by the user or stored in advance at the start of continuous monitoring, and are output from the control unit 140 to the light source unit 10 as a control signal. It is like that.

受光部20は、光強度を電気信号に変換できるものであればよく、例えばフォトダイオード21が用いられる。そして、フォトダイオード21は、レンズ36から燃焼室外に−X方向へ出射されたレーザ光を光ファイバ34とレンズ23とを介して受光するように配置されており、測定対象ガスを通過したレーザ光の強度I(ν)を受光する。そして、制御部140は、各周期においてフォトダイオード21からA/Dコンバータ22を介してレーザ光の強度I(ν)を取得することで、I(ν)とI(ν)とを算出するようになっている。 The light receiving unit 20 may be anything that can convert light intensity into an electric signal, and for example, a photodiode 21 is used. The photodiode 21 is arranged so as to receive the laser beam emitted from the lens 36 in the −X direction outside the combustion chamber via the optical fiber 34 and the lens 23, and the laser beam that has passed through the measurement target gas. The intensity I (ν) is received. Then, the control unit 140 calculates I 0 (ν) and I (ν) by acquiring the intensity I (ν) of the laser light from the photodiode 21 via the A / D converter 22 in each cycle. It is like that.

制御部140は、CPU141とメモリ(データ記憶部)142とを備える。また、CPU141が処理する機能をブロック化して説明すると、光源部10を制御するレーザ制御部41aと、レーザ光の強度I(ν)を取得する取得部41bと、各周期nにおいて非吸収波長のレーザ光の強度I(ν)に基づいて近似式を作成することにより強度変化I0n(ν)を作成する基準線作成部41cと、各周期nにおいて式(4)を用いて数密度cを算出する演算部41fとを有する。 The control unit 140 includes a CPU 141 and a memory (data storage unit) 142. Further, the functions processed by the CPU 141 will be described as a block. The laser control unit 41a that controls the light source unit 10, the acquisition unit 41b that acquires the intensity I n (ν) of the laser light, and the non-absorption wavelength in each period n A reference line creation unit 41c for creating an intensity change I 0n (ν) by creating an approximate expression based on the intensity I n (ν) of the laser beam, and a number density using the formula (4) in each period n and a calculation unit 41f for calculating a c n.

特開2010−237075号公報JP 2010-237075 A

しかしながら、上述したようなガス分析装置101では、燃焼室内の測定対象ガス中の酸素ガスの数密度cを算出する場合に、サイクル中において燃焼室内の温度Tや圧力pがダイナミックに変化するのに伴って酸素ガスの吸収ピーク(吸収線)も大きく変化するため、半導体レーザ11へ印加する駆動電流値(スイープ幅)を制御することが難しかった。 However, the gas analyzer 101, such as described above, when calculating the number density c n of the oxygen gas to be measured in the gas in the combustion chamber, the temperature T and pressure p in the combustion chamber to change dynamically during the cycle As a result, the absorption peak (absorption line) of oxygen gas also changes greatly, and it is difficult to control the drive current value (sweep width) applied to the semiconductor laser 11.

さらに、酸素ガスの吸収ピークの吸収線幅が広がるとともに高さが低くなり、特にスイープ幅よりも吸収線幅が広がる(ブロードになる)と、第n周期の所定波長範囲の測定光の強度変化I(ν)から強度変化I0n(ν)を作成することができなくなる場合があった。図9は、ガス分析装置101で得られた吸収スペクトルの一例を示すグラフである。縦軸は受光強度Iであり、横軸は周波数νである。なお、図中実線はI(ν)、一点鎖線はI(ν)を示している。 Furthermore, when the absorption line width of the oxygen gas absorption peak widens and decreases, especially when the absorption line width broadens (becomes broader) than the sweep width, the intensity change of the measurement light in the predetermined wavelength range of the nth period In some cases, the intensity change I 0n (ν) cannot be created from I n (ν). FIG. 9 is a graph showing an example of an absorption spectrum obtained by the gas analyzer 101. The vertical axis is the received light intensity I, and the horizontal axis is the frequency ν. In the figure, the solid line indicates I 0 (ν), and the alternate long and short dash line indicates I (ν).

本出願人は、燃焼室内の測定対象ガス中の酸素ガスの数密度cを算出する場合に、第n周期の強度変化I0n(ν)を正確に作成する方法について検討した。
まず、圧縮工程では燃焼室内へのガスの出入りがなく、圧縮されたとしても燃焼室内の全てのガスが圧縮されるため酸素ガス濃度は変化しない。酸素ガス濃度が変化しなければ、吸光度曲線の形は変化しても、その吸収線の面積値Dは温度Tによってのみ変化することになる。
The applicant has, when calculating the number density c n of the oxygen gas to be measured in the gas in the combustion chamber, was studied how to create strength in the n-th cycle change I 0n the ([nu) accurately.
First, in the compression process, there is no gas in and out of the combustion chamber, and even if the gas is compressed, the oxygen gas concentration does not change because all the gas in the combustion chamber is compressed. If the oxygen gas concentration does not change, even if the shape of the absorbance curve changes, the area value D n of the absorption line changes only with the temperature T.

次に、吸収線の形状が大気圧もしくはそれ以上のときには、上述したようにローレンツ関数に支配されることを利用して、吸気工程の終了直後の温度Tが大きく変化しない状況であって、大気圧程度で吸収線が比較的に先鋭となる状況では、吸収線の面積値Dを正確に算出することができる。
よって、第mサイクルにおいて吸気工程の終了後に吸収線の面積値Dmn、Dm(n+1)、・・・を計測していき、吸収線の面積値Dmn、Dm(n+1)、・・・が、基準面積値と比較して10%程度変化するまで(圧縮工程前半で圧縮率が低く吸収線が先鋭な際)の基準線I0mn(ν)、I0m(n+1)(ν)、・・・の平均を取り、その平均を第mサイクルの圧縮工程後半や燃焼工程のような吸収線がブロードとなり基準線I0n(ν)が作成できない工程の基準線とすることを見出した。
Next, when the shape of the absorption line is atmospheric pressure or higher, the temperature T immediately after the end of the intake process does not change greatly using the fact that it is governed by the Lorentz function as described above. In a situation where the absorption line is relatively sharp at atmospheric pressure, the area value D n of the absorption line can be accurately calculated.
Therefore, the absorption line area values D mn , D m (n + 1) ,... Are measured after completion of the intake process in the m-th cycle, and the absorption line area values D mn , D m (n + 1) ,. Are the reference lines I 0mn (ν), I 0m (n + 1) (ν) until they change by about 10% compared to the reference area value (when the compression rate is low and the absorption line is sharp in the first half of the compression process), The average of... Was taken, and the average was used as the reference line for the process in which the absorption line in the latter half of the mth cycle compression process and the combustion process was broad and the reference line I 0n (ν) could not be created.

すなわち、本発明のガス分析装置は、内燃機関の筒内の測定対象ガスに測定光を照射するレーザ素子を有する光源部と、前記測定対象ガス中を通過した測定光の強度を受光する受光部と、所定波長範囲の測定光をレーザ素子から所定周期で発振させるレーザ制御部と、前記受光部で受光された第n周期の所定波長範囲の測定光の強度変化I(ν)を用いて、特定ガスの吸収を受けなかった場合の第n周期の所定波長範囲の測定光の強度変化I0n(ν)を作成し、第n周期の特定ガスの吸収ピークを検出し、前記測定対象ガス中の特定ガス量情報を算出する演算部とを備えるガス分析装置であって、前記内燃機関は、吸気工程と圧縮工程と燃焼工程と排気工程とをこの順に所定サイクルで実行するものであり、第mサイクルの吸気工程後での各周期の所定波長範囲の測定光の強度変化Imn(ν)、Im(n+1)(ν)、・・・における特定ガスの吸収ピークの面積値Dmn、Dm(n+1)、・・・を算出する面積値算出部と、前記面積値D mn 、D m(n+1) 、・・・と基準面積値D ’との差分である面積変化量ΔD mn 、ΔD m(n+1) 、・・・を算出し、面積変化量ΔD mn 、ΔD m(n+1) 、・・・が閾値以内となる周期で作成された強度変化I 0mn (ν)、I 0m(n+1) (ν)、・・・を平均することにより、第mサイクルの代表光強度変化I0m’(ν)を作成する代表基準線作成部とを備え、前記演算部は、第mサイクルの圧縮工程又は燃焼工程での第(n+a)周期では、第(n+a)周期の所定波長範囲の測定光の強度変化I(n+a)(ν)と代表光強度変化I0m’(ν)とを用いて、第(n+a)周期の特定ガスの吸収ピークを検出するようにしている。 That is, the gas analyzer of the present invention includes a light source unit having a laser element that irradiates measurement light to a measurement target gas in a cylinder of an internal combustion engine, and a light receiving unit that receives the intensity of the measurement light that has passed through the measurement target gas A laser control unit that oscillates measurement light in a predetermined wavelength range from the laser element at a predetermined period, and an intensity change I n (ν) of the measurement light in the predetermined wavelength range of the nth period received by the light receiving unit. Then, an intensity change I 0n (ν) of measurement light in a predetermined wavelength range of the nth period when no absorption of the specific gas is received, an absorption peak of the specific gas of the nth period is detected, and the measurement target gas A gas analyzer including a calculation unit that calculates specific gas amount information therein, wherein the internal combustion engine performs an intake process, a compression process, a combustion process, and an exhaust process in a predetermined cycle in this order, After the intake process of the mth cycle Predetermined wavelength range of the period of the measurement light intensity variation I mn (ν), I m (n + 1) (ν), area value of the absorption peak of the specific gas in ··· D mn, D m (n + 1), · An area value calculation unit for calculating, and area change amounts ΔD mn , ΔD m (n + 1) , which are differences between the area values D mn , D m (n + 1) ,... And the reference area value D m , Are calculated , and intensity changes I 0mn (ν), I 0m (n + 1) (ν), which are created in a period in which the area change amounts ΔD mn , ΔD m (n + 1) ,. A representative reference line creating unit that creates a representative light intensity change I 0m ′ (ν) of the m-th cycle by averaging , and the arithmetic unit is configured to perform the compression process or the combustion process of the m-th cycle. the (n + a) in the cycle, the (n + a) the intensity change of the predetermined wavelength range of the measurement light cycle I n + a) (ν) and by using the representative light intensity variation I 0m '(ν), and to detect the absorption peak of a specific gas in the (n + a) cycle.

ここで、「所定周期」とは、測定者等によって決められる任意の時間であり、所定波長範囲の測定光をレーザ素子から発振させるために、例えば数十Hz〜数十kHzとなり、1kHz等が挙げられる。なお、「a」は、自然数であって吸収線がブロードとなる周期である。
また、「所定サイクル」とは、測定者等によって決められる任意の時間であって、1サイクル中には少なくとも3回の周期が実行されることになる。
さらに、「特定ガス」とは、測定者等によって決められる任意の成分であって、例えば酸素や水蒸気や二酸化炭素や一酸化炭素等である。
Here, the “predetermined period” is an arbitrary time determined by a measurer or the like. For example, in order to oscillate measurement light in a predetermined wavelength range from the laser element, the frequency becomes, for example, several tens Hz to several tens kHz. Can be mentioned. “A” is a natural number and is a period in which the absorption line becomes broad.
The “predetermined cycle” is an arbitrary time determined by a measurer or the like, and at least three cycles are executed in one cycle.
Further, the “specific gas” is an arbitrary component determined by a measurer, for example, oxygen, water vapor, carbon dioxide, carbon monoxide, or the like.

以上のように、本発明のガス分析装置によれば、吸収曲線がブロードとなって基準線が作成できない状況下でも、直近の吸気工程や圧縮工程のときに算出された基準線を利用することで、特定ガス量情報を正確に算出することができる。また、ノイズに埋もれやすいブロードな吸収曲線であっても、吸収線の面積値Dmnが温度Tに依存し、急激には変化しないことを利用して、吸収線の面積値Dmnをフィッティングの評価パラメータとして利用できる。 As described above, according to the gas analyzer of the present invention, the reference line calculated at the time of the most recent intake process or compression process is used even in a situation where the absorption curve is broad and a reference line cannot be created. Thus, the specific gas amount information can be accurately calculated. Further, even easier broad absorption curve buried in the noise, the area value D mn of absorption lines are dependent on the temperature T, is rapidly by utilizing the fact that no change, in the fitting area value D mn of absorption lines It can be used as an evaluation parameter.

発明では、前記代表基準線作成部は、面積値Dmn、Dm(n+1)、・・・と基準面積値D’との差分である面積変化量ΔDmn、ΔDm(n+1)、・・・を算出し、面積変化量ΔDmn、ΔDm(n+1)、・・・が閾値以内となる周期で作成された強度変化I0mn(ν)、I0m(n+1)(ν)、・・・を平均することにより、代表光強度変化I0m’(ν)を作成するようにしている In the present invention, the representative reference line creation unit includes area change amounts ΔD mn , ΔD m (n + 1) , which are differences between the area values D mn , D m (n + 1) ,... And the reference area value D m ′. Are calculated , and intensity changes I 0mn (ν), I 0m (n + 1) (ν), which are created in a period in which the area change amounts ΔD mn , ΔD m (n + 1) ,. by averaging ..., and so as to create a representative light intensity variation I 0m '(ν).

ここで、「基準面積値D’」とは、測定者等によって決められる任意のものであり、例えば吸気工程の終了直後の周期nの面積値Dmn等が挙げられる。 Here, the “reference area value D m ′” is an arbitrary value determined by a measurer or the like, for example, an area value D mn of a cycle n immediately after the end of the intake process.

本発明のガス分析装置の一例を示す概略構成図。The schematic block diagram which shows an example of the gas analyzer of this invention. 図1のガス分析装置で得られた吸収スペクトルの一例を示すグラフ。The graph which shows an example of the absorption spectrum obtained with the gas analyzer of FIG. 本発明のガス分析装置を用いた計測方法を説明するフローチャート。The flowchart explaining the measuring method using the gas analyzer of this invention. 本発明のガス分析装置の他の一例を示す概略構成図。The schematic block diagram which shows another example of the gas analyzer of this invention. 一般的なガス分析装置で得られた吸収スペクトルの一例を示すグラフ。The graph which shows an example of the absorption spectrum obtained with the general gas analyzer. 縦軸を−log10(I(ν)/I(ν))とし、横軸を周波数νとしたグラフ。A graph in which the vertical axis is −log 10 (I (ν 0 ) / I 00 )) and the horizontal axis is frequency ν. 波長可変半導体レーザ吸収分光法によるガス分析装置を示す概略構成図。The schematic block diagram which shows the gas analyzer by wavelength tunable semiconductor laser absorption spectroscopy. 駆動電流値とレーザ光の発振波長との関係を示す概念図。The conceptual diagram which shows the relationship between a drive current value and the oscillation wavelength of a laser beam. 図7のガス分析装置で得られた吸収スペクトルの一例を示すグラフ。The graph which shows an example of the absorption spectrum obtained with the gas analyzer of FIG.

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。なお、本発明は、以下に説明するような実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の態様が含まれることはいうまでもない。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiments described below, and it goes without saying that various aspects are included without departing from the spirit of the present invention.

図1は、本発明のガス分析装置の一例を示す概略構成図である。また、図2は、本発明のガス分析装置で得られた吸収スペクトルの一例を示すグラフである。なお、上述した従来のガス分析装置101と同様のものについては、同じ符号を付している。
ガス分析装置1は、光源部10と、受光部20と、温度Tを測定するガス温度センサ32と、マイコンやPCで構成される制御部40とを備える。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an example of a gas analyzer of the present invention. Moreover, FIG. 2 is a graph which shows an example of the absorption spectrum obtained with the gas analyzer of this invention. In addition, the same code | symbol is attached | subjected about the thing similar to the conventional gas analyzer 101 mentioned above.
The gas analyzer 1 includes a light source unit 10, a light receiving unit 20, a gas temperature sensor 32 that measures a temperature T, and a control unit 40 that includes a microcomputer or a PC.

制御部40は、CPU41とメモリ(データ記憶部)42とを備える。また、CPU41が処理する機能をブロック化して説明すると、光源部10を制御するレーザ制御部41aと、レーザ光の強度I(ν)を取得する取得部41bと、各周期nにおいて非吸収波長のレーザ光の強度I(ν)に基づいて近似式を作成することにより強度変化I0n(ν)を作成する基準線作成部41cと、酸素ガスの吸収ピークの面積値Dを算出する面積値算出部41dと、第mサイクルの代表光強度変化I0m’(ν)を作成する代表基準線作成部41eと、各周期nにおいて式(4)を用いて数密度cを算出する演算部41fとを有する。さらに、メモリ42には、面積値Dを記憶するとともに閾値A(基準面積値の10%)を記憶するための面積値記憶領域42aを有する。 The control unit 40 includes a CPU 41 and a memory (data storage unit) 42. Further, the function processed by the CPU 41 will be described as a block. The laser control unit 41a that controls the light source unit 10, the acquisition unit 41b that acquires the intensity I n (ν) of the laser light, and the non-absorption wavelength in each period n A reference line creation unit 41c that creates an intensity change I 0n (ν) by creating an approximate expression based on the intensity I n (ν) of the laser beam, and an area value D n of the absorption peak of oxygen gas are calculated. calculating an area value calculating section 41d, a representative reference line creating unit 41e for creating a representative light intensity variation I 0 m of the m cycles' ([nu), the number density c n using equation (4) in each period n And an arithmetic unit 41f. Further, the memory 42 has an area value storage area 42a for storing the area value D n and storing the threshold value A (10% of the reference area value).

面積値算出部41dは、第mサイクルの吸気工程の終了直後の第n周期の所定波長範囲の測定光の強度変化Imn(ν)と強度変化I0mn(ν)とを用いて、第n周期の強度変化Imn(ν)における酸素ガスの吸収ピークを検出し、この酸素ガスの吸収ピークの面積値Dmnを算出して面積値記憶領域42aに記憶させる制御を行う。また、面積値算出部41dは、第mサイクルにおいて吸気工程の終了直後の第n周期の面積値Dmnを基準面積値D’として面積値記憶領域42aに記憶させる制御を行う。 The area value calculation unit 41d uses the intensity change I mn (ν) and the intensity change I 0mn (ν) of the measurement light in the predetermined wavelength range of the nth cycle immediately after the end of the m-th cycle intake process, to calculate the nth The oxygen gas absorption peak at the period intensity change I mn (ν) is detected, and the area value D mn of the oxygen gas absorption peak is calculated and stored in the area value storage area 42a. In addition, the area value calculation unit 41d performs control to store the area value Dmn of the nth cycle immediately after the end of the intake process in the mth cycle in the area value storage area 42a as the reference area value Dm '.

具体的には、まず、取得部41bで取得された第mサイクルの吸気工程の終了直後の第n周期の所定波長範囲のレーザ光の強度変化Imn(ν)と、基準線作成部41cで作成された強度変化I0mn(ν)とを用いて、第mサイクルの第n周期のレーザ光の強度変化Imn(ν)における酸素ガスの吸収ピークを検出し、この酸素ガスの吸収ピークの面積値Dmnを算出して面積値記憶領域42aに記憶させる。そして、第mサイクルにおいて吸気工程の終了直後の第n周期の面積値Dmnを基準面積値D’として面積値記憶領域42aに記憶させる。次に、取得部41bで取得された第mサイクルの第(n+1)周期の所定波長範囲のレーザ光の強度変化Im(n+1)(ν)と、基準線作成部41cで作成された強度変化I0m(n+1)(ν)とを用いて、第mサイクルの第(n+1)周期のレーザ光の強度変化Im(n+1)(ν)における酸素ガスの吸収ピークを検出し、この酸素ガスの吸収ピークの面積値Dm(n+1)を算出して面積値記憶領域42aに記憶させる。このようにして面積値Dmn、Dm(n+1)、・・・、D(m+1)n、D(m+1)(n+1)、・・・を算出して面積値記憶領域42aに記憶させていくとともに、基準面積値D’、D(m+1)’、・・・を面積値記憶領域42aに記憶させていく。 Specifically, first, the intensity change I mn (ν) of the laser light in a predetermined wavelength range of the nth cycle immediately after the end of the m-th cycle intake process acquired by the acquisition unit 41b, and the reference line creation unit 41c Using the generated intensity change I 0mn (ν), an absorption peak of oxygen gas in the intensity change I mn (ν) of the laser light in the n-th cycle of the m-th cycle is detected, and the absorption peak of this oxygen gas is detected. The area value D mn is calculated and stored in the area value storage area 42a. Then, the area value Dmn of the nth period immediately after the end of the intake process in the mth cycle is stored in the area value storage area 42a as the reference area value Dm ′. Next, the intensity change I m (n + 1) (ν) of the laser beam in the predetermined wavelength range of the (n + 1) -th cycle of the m-th cycle acquired by the acquisition unit 41 b and the intensity change generated by the reference line creation unit 41 c I 0m (n + 1) (ν) is used to detect the absorption peak of the oxygen gas in the intensity change I m (n + 1) (ν) of the laser beam in the (n + 1) period of the m-th cycle. The absorption peak area value Dm (n + 1) is calculated and stored in the area value storage area 42a. In this way, the area values D mn , D m (n + 1) ,..., D (m + 1) n , D (m + 1) (n + 1) ,... Are calculated and stored in the area value storage area 42a. At the same time, the reference area values D m ′, D (m + 1) ′,... Are stored in the area value storage area 42a.

代表基準線作成部41eは、第mサイクルにおいて面積値Dmn、Dm(n+1)、・・・と基準面積値D’との差分である面積変化量ΔDmn、ΔDm(n+1)、・・・を算出し、面積変化量ΔDmn、ΔDm(n+1)、・・・、ΔDm(n+a−1)が閾値A以内となる周期で作成された強度変化I0mn(ν)、I0m(n+1)(ν)、・・・、I0m(n+a−1)(ν)を平均することにより、代表光強度変化I0m’(ν)を作成する制御を行う。
例えば、まず、面積値Dmnと基準面積値D’との差分である面積変化量ΔDmnを算出して、面積変化量ΔDが閾値A以内であるか否かを判定する。そして、面積変化量ΔDが閾値A以内であると、面積値Dm(n+1)と基準面積値D’との差分である面積変化量ΔDm(n+1)を算出して、面積変化量ΔDが閾値A以内であるか否かを判定する。このようにして、面積変化量ΔDm(n+a)が閾値Aを超えるまで、面積変化量ΔDmn、ΔDm(n+1)、・・・を算出する。その後、閾値A以内である面積変化量ΔDmn、ΔDm(n+1)、・・・、ΔDm(n+a−1)となる周期で作成された強度変化I0mn(ν)、I0m(n+1)(ν)、・・・、I0m(n+a−1)(ν)を平均することにより、代表光強度変化I0m’(ν)を作成する。
In the m-th cycle, the representative reference line creation unit 41e is configured such that area change amounts ΔD mn , ΔD m (n + 1) , which are differences between the area values D mn , D m (n + 1) ,... And the reference area value D m ′. Are calculated, and the intensity change I 0mn (ν), I created in a cycle in which the area change amounts ΔD mn , ΔD m (n + 1) ,..., ΔD m (n + a−1) are within the threshold A. Control is performed to create the representative light intensity change I 0m ′ (ν) by averaging 0 m (n + 1) (ν),..., I 0m (n + a−1) (ν).
For example, first, an area change amount ΔD mn that is a difference between the area value D mn and the reference area value D m ′ is calculated, and it is determined whether or not the area change amount ΔD m is within the threshold A. If the area change amount ΔD m is within the threshold A, an area change amount ΔD m (n + 1) that is a difference between the area value D m (n + 1) and the reference area value D m ′ is calculated, and the area change amount is calculated. It is determined whether or not ΔD m is within the threshold A. In this way, the area change amounts ΔD mn , ΔD m (n + 1) ,... Are calculated until the area change amount ΔD m (n + a) exceeds the threshold A. Thereafter, intensity changes I 0mn (ν), I 0m (n + 1) created at a period of ΔD mn , ΔD m (n + 1) ,..., ΔD m (n + a−1) within the threshold A. (Ν),..., I 0m (n + a−1) (ν) is averaged to create a representative light intensity change I 0m ′ (ν).

演算部41fは、第mサイクルの第(n+a−1)周期までは、第n周期の所定波長範囲のレーザ光の強度変化Imn(ν)と、強度変化I0m(ν)とを用いて、第n周期の酸素ガスの吸収ピークを検出し、式(4)を用いて数密度cmnを得る一方、第mサイクルの第(n+a)周期からは、第n周期の所定波長範囲のレーザ光の強度変化Imn(ν)と、代表光強度変化I0m’(ν)とを用いて、第n周期の酸素ガスの吸収ピークを検出し、式(4)を用いて数密度cmnを得る制御を行う。 The calculation unit 41f uses the intensity change I mn (ν) and the intensity change I 0m (ν) of the laser light in the predetermined wavelength range of the n-th cycle until the (n + a−1) -th cycle of the m-th cycle. , While detecting the absorption peak of the oxygen gas in the nth period and obtaining the number density c mn using the equation (4), the laser in the predetermined wavelength range of the nth period from the (n + a) period of the mth cycle The absorption peak of the oxygen gas in the nth period is detected using the light intensity change I mn (ν) and the representative light intensity change I 0m ′ (ν), and the number density c mn is calculated using equation (4). To get control.

ここで、ガス分析装置1の使用方法の一例について説明する。図3は、数密度cを計測する計測方法について説明するためのフローチャートである。
まず、ステップS101の処理において、サイクルパラメータm=1(サイクル開始)とし、周期回数パラメータn=1(吸気工程開始)とする。
Here, an example of a method of using the gas analyzer 1 will be described. Figure 3 is a flow chart for explaining a measuring method of measuring the number density c n.
First, in the process of step S101, the cycle parameter m = 1 (cycle start) and the cycle count parameter n = 1 (intake process start) are set.

次に、ステップS102の処理において、レーザ制御部41aは、制御信号を光源部10に出力する。
次に、ステップS103の処理において、取得部41bは、レーザ光の強度Imn(ν)を取得するとともに、基準線作成部41cは、非吸収波長のレーザ光の強度Imn(ν)に基づいて近似式を作成することにより、強度変化I0mn(ν)を作成する。
次に、ステップS104の処理において、演算部41fは、第n周期の所定波長範囲のレーザ光の強度変化Imn(ν)と、強度変化I0mn(ν)とを用いて、第n周期の酸素ガスの吸収ピークを検出し、式(4)を用いて数密度cmnを得る。
Next, in the process of step S <b> 102, the laser control unit 41 a outputs a control signal to the light source unit 10.
Next, in the process of step S103, the acquisition unit 41b acquires the intensity I mn (ν) of the laser light, and the reference line creation unit 41c is based on the intensity I mn (ν) of the laser light having a non-absorption wavelength. Thus, the intensity change I 0mn (ν) is created by creating an approximate expression.
Next, in the process of step S104, the computing unit 41f uses the intensity change I mn (ν) and the intensity change I 0mn (ν) of the laser light in the predetermined wavelength range of the nth period, The absorption peak of oxygen gas is detected, and the number density c mn is obtained using equation (4).

次に、ステップS105の処理において、n=11(圧縮工程開始)であるか否かを判定する。n=11でないと判定したときには、ステップS106の処理において、n=n+1とした後、ステップS103の処理に戻る。
一方、n=11であると判定したときには、ステップS107の処理において、取得部41bは、レーザ光の強度Imn(ν)を取得するとともに、基準線作成部41cは、非吸収波長のレーザ光の強度Imn(ν)に基づいて近似式を作成することにより、強度変化I0mn(ν)を作成する。
Next, in the process of step S105, it is determined whether n = 11 (compression process start). If it is determined that n is not 11, the process returns to step S103 after setting n = n + 1 in the process of step S106.
On the other hand, when it is determined that n = 11, in the process of step S107, the acquisition unit 41b acquires the intensity I mn (ν) of the laser beam, and the reference line generation unit 41c receives the laser beam having a non-absorption wavelength. An intensity change I 0mn (ν) is created by creating an approximate expression on the basis of the intensity I mn (ν).

次に、ステップS108の処理において、演算部41fは、第n周期の所定波長範囲のレーザ光の強度変化Imn(ν)と、強度変化I0mn(ν)とを用いて、第n周期の酸素ガスの吸収ピークを検出し、式(4)を用いて数密度cmnを得る。また、面積値算出部41dは、酸素ガスの吸収ピークの面積値Dmnを算出して面積値記憶領域42aに記憶させる。
次に、ステップS109の処理において、代表基準線作成部41eは、面積値Dmnと基準面積値D’との差分である面積変化量ΔDmnを算出する。
Next, in the process of step S108, the calculation unit 41f uses the intensity change I mn (ν) and the intensity change I 0mn (ν) of the laser beam in the predetermined wavelength range of the nth period to calculate the nth period. The absorption peak of oxygen gas is detected, and the number density c mn is obtained using equation (4). The area value calculation unit 41d then stores by calculating the area value D mn of the absorption peak of the oxygen gas to the area value storage area 42a.
Next, in the process of step S109, the representative reference line creation unit 41e calculates an area change amount ΔD mn that is a difference between the area value D mn and the reference area value D m ′.

次に、ステップS110の処理において、ΔDmn≦Aであるか否かを判定する。ΔDmn≦Aであると判定したときには、ステップS111の処理において、n=n+1とした後、ステップS107の処理に戻る。
一方、ΔDmn≦Aでないと判定したときには、ステップS112の処理において、代表基準線作成部41eは、面積変化量ΔDmn、ΔDm(n+1)、・・・、ΔDm(n+a−1)が閾値A以内となる周期で作成された強度変化I0mn(ν)、I0m(n+1)(ν)、・・・、I0m(n+a−1)(ν)を平均することにより、代表光強度変化I0mn’(ν)を作成する。
Next, in the process of step S110, it is determined whether or not ΔD mn ≦ A. When it is determined that ΔD mn ≦ A, after setting n = n + 1 in the process of step S111, the process returns to the process of step S107.
On the other hand, when it is determined that ΔD mn ≦ A is not satisfied, in the process of step S112, the representative reference line creation unit 41e determines that the area change amounts ΔD mn , ΔD m (n + 1) ,..., ΔD m (n + a−1) By averaging the intensity changes I 0mn (ν), I 0m (n + 1) (ν),..., I 0m (n + a−1) (ν) created in a cycle that is within the threshold A, the representative light intensity Create the change I 0mn '(ν).

次に、ステップS113の処理において、取得部41bは、レーザ光の強度Imn(ν)を取得する。
次に、ステップS114の処理において、演算部41fは、第n周期の所定波長範囲のレーザ光の強度変化Imn(ν)と、代表光強度変化I0m’(ν)とを用いて、第n周期の酸素ガスの吸収ピークを検出し、式(4)を用いて数密度cmnを得る。
Next, in the process of step S113, the acquisition unit 41b acquires the intensity I mn (ν) of the laser light.
Next, in the process of step S114, the calculation unit 41f uses the intensity change I mn (ν) of the laser light in the predetermined wavelength range of the nth period and the representative light intensity change I 0m ′ (ν) to An absorption peak of oxygen gas having an n period is detected, and the number density c mn is obtained using the equation (4).

次に、ステップS115の処理において、n=31(排気工程開始)であるか否かを判定する。n=31でないと判定したときには、ステップS116の処理において、n=n+1とした後、ステップS112の処理に戻る。
一方、n=31であると判定したときには、ステップS117の処理において、取得部41bは、レーザ光の強度Imn(ν)を取得するとともに、基準線作成部41cは、非吸収波長のレーザ光の強度Imn(ν)に基づいて近似式を作成することにより、強度変化I0mn(ν)を作成する。
Next, in the process of step S115, it is determined whether n = 31 (exhaust process start). If it is determined that n is not 31, the process returns to step S112 after setting n = n + 1 in the process of step S116.
On the other hand, when it is determined that n = 31, in the process of step S117, the acquisition unit 41b acquires the intensity I mn (ν) of the laser beam, and the reference line generation unit 41c receives the laser beam having a non-absorption wavelength. An intensity change I 0mn (ν) is created by creating an approximate expression on the basis of the intensity I mn (ν).

次に、ステップS118の処理において、演算部41fは、第n周期の所定波長範囲のレーザ光の強度変化Imn(ν)と、強度変化I0mn(ν)とを用いて、第n周期の酸素ガスの吸収ピークを検出し、式(4)を用いて数密度cmnを得る。
次に、ステップS119の処理において、n=40(排気工程終了)であるか否かを判定する。n=40でないと判定したときには、ステップS120の処理において、n=n+1とした後、ステップS117の処理に戻る。
一方、n=40であると判定したときには、ステップS121の処理において、n=1、m=m+1とした後、ステップS103の処理に戻る。
Next, in the processing of step S118, the calculation unit 41f uses the intensity change I mn (ν) and the intensity change I 0mn (ν) of the laser beam in the predetermined wavelength range of the n-th cycle, The absorption peak of oxygen gas is detected, and the number density c mn is obtained using equation (4).
Next, in the process of step S119, it is determined whether n = 40 (exhaust process end). If it is determined that n = 40 is not satisfied, in step S120, after n = n + 1, the process returns to step S117.
On the other hand, when it is determined that n = 40, in the process of step S121, after n = 1 and m = m + 1, the process returns to step S103.

以上のように、本発明のガス分析装置1によれば、吸収曲線がブロードとなって基準線が作成できない状況においても、直近の吸気工程や圧縮工程のときに算出された基準線を利用することで、数密度cを正確に算出することができる。 As described above, according to the gas analyzer 1 of the present invention, even when the absorption curve is broad and a reference line cannot be created, the reference line calculated at the time of the most recent intake process or compression process is used. it is, it is possible to accurately calculate the number density c n.

<他の実施形態>
上述したガス分析装置1では、シリンダ51の側壁には、レンズ(入射用光学窓)35と、レンズ(入射用光学窓)35に−X方向に距離lを空けて対向配置されるレンズ(出射用光学窓)36とが形成されている構成を示したが、これに代えて、シリンダ51の側壁にレンズ35が形成され、シリンダ51の内部には、レンズ35に−X方向に距離l/2を空けて対向配置される反射鏡236とが形成されているような構成としてもよい。図4は、本発明のガス分析装置1に反射鏡236を配置した場合の実施例であるガス分析装置1’を示す概略構成図である。
<Other embodiments>
In the gas analyzer 1 described above, on the side wall of the cylinder 51, a lens (incident optical window) 35 and a lens (exit) disposed opposite to the lens (incident optical window) 35 with a distance l in the −X direction. However, instead of this, a lens 35 is formed on the side wall of the cylinder 51, and within the cylinder 51, a distance l / It is good also as a structure in which the reflecting mirror 236 which arrange | positions facing 2 is formed. FIG. 4 is a schematic configuration diagram showing a gas analyzer 1 ′ which is an embodiment in the case where the reflecting mirror 236 is arranged in the gas analyzer 1 of the present invention.

本発明は、レーザ吸収分光法を利用して気体中の特定ガス量情報を計測するガス分析装置等に利用することができる。   INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used for a gas analyzer that measures specific gas amount information in a gas by using laser absorption spectroscopy.

1 ガス分析装置
10 光源部
11 レーザ素子
20 受光部
32 ガス温度センサ
41a レーザ制御部
41d 面積値算出部
41e 代表基準線作成部
41f 演算部
50 エンジン(内燃機関)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Gas analyzer 10 Light source part 11 Laser element 20 Light-receiving part 32 Gas temperature sensor 41a Laser control part 41d Area value calculation part 41e Representative reference line preparation part 41f Calculation part 50 Engine (internal combustion engine)

Claims (1)

内燃機関の筒内の測定対象ガスに測定光を照射するレーザ素子を有する光源部と、
前記測定対象ガス中を通過した測定光の強度を受光する受光部と、
所定波長範囲の測定光をレーザ素子から所定周期で発振させるレーザ制御部と、
前記受光部で受光された第n周期の所定波長範囲の測定光の強度変化I(ν)を用いて、特定ガスの吸収を受けなかった場合の第n周期の所定波長範囲の測定光の強度変化I0n(ν)を作成し、第n周期の特定ガスの吸収ピークを検出し、前記測定対象ガス中の特定ガス量情報を算出する演算部とを備えるガス分析装置であって、
前記内燃機関は、吸気工程と圧縮工程と燃焼工程と排気工程とをこの順に所定サイクルで実行するものであり、
第mサイクルの吸気工程後での各周期の所定波長範囲の測定光の強度変化Imn(ν)、Im(n+1)(ν)、・・・における特定ガスの吸収ピークの面積値Dmn、Dm(n+1)、・・・を算出する面積値算出部と、
前記面積値D mn 、D m(n+1) 、・・・と基準面積値D ’との差分である面積変化量ΔD mn 、ΔD m(n+1) 、・・・を算出し、面積変化量ΔD mn 、ΔD m(n+1) 、・・・が閾値以内となる周期で作成された強度変化I 0mn (ν)、I 0m(n+1) (ν)、・・・を平均することにより、第mサイクルの代表光強度変化I0m’(ν)を作成する代表基準線作成部とを備え、
前記演算部は、第mサイクルの圧縮工程又は燃焼工程での第(n+a)周期では、第(n+a)周期の所定波長範囲の測定光の強度変化I(n+a)(ν)と代表光強度変化I0m’(ν)とを用いて、第(n+a)周期の特定ガスの吸収ピークを検出することを特徴とするガス分析装置。
A light source unit having a laser element that irradiates measurement light to a measurement target gas in a cylinder of an internal combustion engine;
A light receiving unit that receives the intensity of the measurement light that has passed through the measurement target gas;
A laser controller that oscillates measurement light in a predetermined wavelength range from the laser element at a predetermined period;
Using the intensity change I n (ν) of the measurement light in the predetermined wavelength range in the nth period received by the light receiving unit, the measurement light in the predetermined wavelength range in the nth period when the specific gas is not absorbed. A gas analyzer comprising: an intensity change I 0n (ν); an absorption peak of a specific gas having an n-th period; and a calculation unit that calculates specific gas amount information in the measurement target gas,
The internal combustion engine performs an intake process, a compression process, a combustion process, and an exhaust process in this order in a predetermined cycle,
Area value D mn of the absorption peak of a specific gas in intensity change I mn (ν), I m (n + 1) (ν),... , D m (n + 1) ,...
The area value D mn, D m (n + 1), the area change amount which is the difference between ... and the reference area value D m 'ΔD mn, ΔD m (n + 1), was calculated.., Area change amount [Delta] D By averaging the intensity changes I 0mn (ν), I 0m (n + 1) (ν),... created in a cycle in which mn , ΔD m (n + 1) ,. A representative reference line creation unit for creating a representative light intensity change I 0m ′ (ν) of
In the (n + a) period in the compression process or combustion process of the m-th cycle, the calculation unit calculates the intensity change I (n + a) (ν) of the measurement light in the predetermined wavelength range in the (n + a) period and the representative light intensity change. A gas analyzer characterized by detecting an absorption peak of a specific gas in the (n + a) period using I 0m ′ (ν).
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