JPH06503429A - スパーク励起蛍光センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 スパーク励起蛍光センサ 本発明は大気汚染物質および燃料源としてのガス類の監視、付加された薬物およ び種々のシステムの放射と種々のシステムの動作効率の改良に関する。

それらに限定されるわけではないが燃料電池、煙突、焼却炉、煙のフード、およ び特に内燃機関システムおよび汚染物質源のようなシステムの吸入口と出力ガス を監視することは燃料の効率的な使用、大気中に排出された汚染物質の制御およ び減少を可能にする。Ｎｏ５Ｃｏ、Ｈ２０のようなそれぞれのガスを監視する固 体センサが存在するが、残念ながらこれらの応答時間が非常に長いため、制御の フィードバックを与えるガス類の濃度の瞬時の変化を監視することができない。

またこれらの従来技術のセンサは排出の種々のガス分子により侵蝕される傾向が ある。

従って種々のガス類を使用し排出するシステムを敏速な応答時間で監視および制 御する信頼性のあるセンサの必要性がある。

本発明によると、前述のシステムの種々の吸入口と出力ガス類の監視を可能にす るスパーク励起蛍光センサが提供される。本発明によるセンサは、Ｈ、Ｃｏ　Ｓ Ｎｏ　、０２．２　１　Ｉ ガスの効率的な使用と性能の最適化を提供し、環境に排出された汚染物質を減少 するために関連する制御を伴って使用されることができる。

本発明のスパーク励起蛍光センサは、 ａ）励起状態の分子が基底状態への崩壊において蛍光を放射するように基底状態 から励起状態に種々のガス類の分子を励起するための励起手段と、 ｂ）放射された蛍光を集収するための先乗状手段と、Ｃ）光信号として集収され た蛍光を伝送するための光伝送手段と、 ｄ）検出されるガス類に対応する波長の予め定められた帯域を選択するためのフ ィルタ手段と、 ｅ）光信号を対応する電気信号に変換する検出手段と、ｆ）検出された各ガス類 の濃度に対応する出力信号を与える信号処理手段とを具備する。

種々のガス類を監視する方法も提供される。

図１は本発明のスパーク励起蛍光センサの概略図である。

図２は自動車における本発明のセンサの使用を示した概略図である。

図３は強度比率とｐｐｍの濃度の座標におけるＮ２中のＣＯの濃度の関数として のＣＯ対Ｎ２の蛍光強度の比率の較正図である。

図４は図３の図と類似しているが低いＣＯ濃度における較正図である。

図５のａ乃至ｄは（任意の単位における）強度および（ｎｍの）波長の座標にお けるＣｏ（図５のａ）　、Ｎ２　（図５のｂ）、ＣＨ（図５のｃ）、０２　（図 ５のｄ）の蛍光帯域の位置を示したスペクトルである。

図６は強度とｎｍの波長の座標における波長関数としてのＮ２中のＣＯの蛍光強 度の図である。

図１を参照すると本発明のスパーク励起蛍光センサー０が示されており、これは １４で概略的に示されている分子を励起するための手段１２を含む。励起源１６ は励起手段１２を付勢することに使用される。

基底状態から高い励起状態に励起された分子は基底状態に崩壊するとき蛍光を放 射する。この蛍光は各分子に独特で特徴的な波長である。

先乗状手段１８と光伝送手段２０は励起手段１２により生成される蛍光が集収さ れ不所望の波長の選択的に除去して複数の検出器２４に予め選択された波長のみ を通過させることを許容するためにそれぞれ複数の帯域通過フィルタ２２に伝送 されることを許容する。この方法で特定の分子に関係するこれらの蛍光エネルギ のみがそれぞれの検出器により検出される。例えば帯域通過フィルタ２２はそれ ぞれＣｏ５Ｎｏ、ＣＨ４の１つの種類に関連する蛍光エネルギを通過するように 設定される。

この種類に関連するエネルギは検出器２４　ａ　、　２４　ｂ　、　２４　ｃの １つにより検出される。３つの検出器が示されているが、使用される検出器の数 に制限はなく、それぞれ特定のガスの種類に関連する蛍光エネルギを検出するよ うに設定される。

各検出器２４からの信号は増幅器２６により増幅され、増幅された信号はシステ ムの調節をするため種々の吸入口／出力ガスおよび／または汚染物質の品質の実 時間表示のような出力３０を提供するために処理手段２８により信号処理を受け る。

本発明では燃料電池、煙突、消却炉、煙のフード、および特に内燃機関システム と汚染源のようなシステムに付加された、または排出されたガス類は基底状態か ら励起状態へスパーク放電により励起される。分子、原子またはイオンが基底状 態に緩和するときある周波数で放射された蛍光の強度はその種類のガスの濃度に 比例する。強度が濃度に比例し妨害および急冷のない高い発振器強度の帯域を選 択することにより、濃度は良好な感度で決定されることができる。

実際に、図２の好ましい実施例で示されているように、スパークプラグ１２と先 乗状手段１８と伝送手段２０はガスの分解、結合、不均衡の生じる前に燃焼排気 が燃焼生成物を表わす位置で自動車３４の排気管３２に設置される。特にセンサ ｌＯはエンジン３６と触媒コンバータ３８との間の排気管３２中に挿入される。

スパークプラグ１２を付勢する励起源１６は通常のものである。

光フアイバ窓１８であることが好ましい先乗状手段は蛍光を集版するためにスパ ークプラグ１２近くに設置される。光フアイバ窓は機械的ダメージから保護し外 部の粒子の付着から遮蔽するように保護容器４０に収容されている。

光ファイバの束２０が好ましい光伝送手段は蛍光を帯域通過フィルタ２２に伝送 するために窓１８に接続される。

通過帯域フィルタ２２は選択された蛍光帯域のみを伝送するように選択される。

それぞれの帯域通過フィルタ２２では光検出器２４は光信号を電気信号に変換す るようにインターフェイスされている。

必要ならば増幅器２６により電気信号は増幅され、信号プロセッサ２８に伝送さ れ、そこでこれらは濃度に変換される。蛍光強度が励起エネルギに依存するため 内部規準は分子の濃度を正確に決定するように選択されなければならない。標準 の使用は窓１８の表面状態の変化による光の減衰を監視し、補償する。内部標準 は濃度が比較的一定で燃焼処理から独立している排気ガスの分子から選択されＮ ２はそのよい候補である。

ある種類のガスの濃度は内部標準の濃度に関して決定される。信号はシステムの 効率的な動作または例えばより効率的な燃焼のための燃焼状況の制御または汚染 物質の減少に使用される。

図３は（ｐｐｍで示した）Ｎ２中のＣＯの濃度の関数としてのＩ　（Ｃｏ）／Ｉ 　（Ｎ２）の蛍光強度比率の較正図である。

この図は図１で示されている装置と実質上同一の装置から得られ、濃度の関数と してのＣＯの較正値を提供し、システムが単調に動作することを示している。図 ４では図３で表されたＮ２中のＣＯの較正が低い濃度まで延在している。

−酸化炭素、窒素、メタン、酸素の蛍光スペクトルは選択を提供するために有効 な十分に異なった波長で高い強度帯域を有する。図５のａ−ｄは蛍光帯域波長の 位置とＣｏ、Ｎ２、ＣＨ４，０２の任意の単位の強度を示している。自動車の排 気ガス中の他のガスからの妨害のない帯域のうちの１つが監視用に選択される。

例えばＣｏ、ＣＨ，Ｎ２が存在するガスの混合物の場合には、約８００ｎｍの帯 域はＣＯ分析で選択されなければならない。ＣＨ４では狭い通過帯域フィルタが 混合したガスの相対的な濃度は帯域の選択のために考慮しなくてはならない。図 ５のａ　−ｄで示されているように蛍光強度は純粋なガスに対するものである。

希釈状態では、相対的な強度はガスの間で広く変化され、それ故各帯域の感度は 決定されなければならない。

図５のａ　−ｄから、本発明の実施で適切に使用される約４００ｎｍにおいてＣ Ｏの強い帯域が存在する。図６は以下の表で示されているように約４００ｎｍに おけるＣＯピークが濃度に比例して変化することを示している。

曲線　Ｎ２中のｐｐｍ　ｃ。

大気中または内燃エンジンからの排気中の分子の濃度の決定に対する帯域選択は 以下の通りである。ＣＨ４がないまたはＣＨ４の濃度がＣＯに関して低いときの ＣＯ濃度の決定では約４０２ｎｍの蛍光帯域が選択される。この帯域は感度が高 （、図３．４で示されているように広範囲の濃度で飽和を示さず、２０ｐｐｍ程 度の低い濃度および１０．０００ｐ　ｐ　ｍ　（１％）程度の高い濃度はこの技 術で測定されることができる。内部標準のＮ　では約３３７ｎｍの帯域が選択さ れる。多数の種類の化学物質の濃度の決定では蛍光強度は内部標準Ｎ２の蛍光強 度に標準化する。窒素酸化物Ｎｏの決定では他の分子からの妨害のない８７２ｎ ｍの帯域が選択される。この帯域も較正され２０〜１０．０００ｐ　ｐ　ｍの広 範囲の濃度が測定可能であることを示す。

図６の情報からスパーク強度が変化するので図３．４で行われているようにデー タをＮ２に対して標準化することが重要であることが明らかである。ＣＨ４のな いＣＯ分析では一方が約４００ｎｍのＣｏの帯域と他方が約３３７ｎｍのＮ２帯 域との２つの光帯域通過フィルタと、２つの検出器２４　ａ　、　２４　ｂがＣ Ｏの濃度を量的に決定するために必要とされる。濃度の決定においてＣＯの検出 器からの信号は信号プロセッサ２８によりＮ２の検出器からの信号により割算さ れ、その比率はプロセッサ中に設けられている図３で示されているように較正曲 線により濃度に変換される。

特にガス類の濃度への光信号の変換は以下の処理により達成される。

１、ガスの光信号（蛍光）は光ファイバ２０により帯域通過フィルタ２２に伝送 され、選択された帯域のみが光検出器２４に伝送される。

２、光検出器２４は光信号を電気信号に変換し、この電気信号は増幅器２６によ り増幅され、マイクロプロセッサ２８に伝送される。

３、マイクロプロセッサ２８は各種類のガスの電気信号を採取し、例えばＮ２ガ スの信号によって標準化する。

４、各種類のガスの標準化された強度はマイクロプロセッサに設けられている較 正曲線により濃度に変換される。較正曲線の例は図３．４である。マイクロプロ セッサ中の較正曲線の設置はよく知られており、本発明の部分を形成しない。

５、濃度信号は主コンピユータに伝送され、監視システムを最適化するように出 力３０により命令を提供するようにプログラムされる。命令はそれに限定されな いが、濃度が一定のレベルに達したときアラーム信号を伝送するか或いはシステ ムを休止し、或いは触媒コンバータのような故障の部品を取替えるように警告指 示信号を提供し、またはフィードバックループ中の本発明により監視される吸入 ガスレベルを出力ガスレベルの分析で調節し、および燃料／空気混合比率を調節 することを含む。これらの全ての動作は燃料の効率的な使用と汚染物質の減少の ためにシステムの最適な動作を提供する。

本発明の応用を支持する図１で示されたものと類似したデータは試験装置で集め られ、ＡＣＳＢｏｓｃｈ、またはＮＧＫのような通常のスパークプラグを有し、 ６シリンダと４．３リツトルエンジンで使用された１９９０モデルシボレー（Ｃ ｈｅｖｒ。

ｌｅｔ　）　５−１０からの通常のデストリピユータモジュールおよびコイルを 使用する。機械的に駆動されたデストリピユータで使用されるピックアップコイ ルはパルス変圧器を介するパルス発生器で置換された。６．００Ｏｒｐｍのエン ジン速度の最大赤線速度を使用してフィルは毎秒６００回で発火した。試験セッ トは発火が毎秒５回から毎秒４．０００回で変化されることかできた。データは ５００ｃｐｓ（回／秒）で集められた。自動車コイルへの電池の接続は１２ボル トのＤＣパワー供給で置換された。

試験チャンバは自動車の排気管のような実際状況と置換された。ガスの入口およ びガスの出口の能力は排気ガス温度をシミユレートするためのヒータと同様に含 まれた。試験ガスが励起スパークプラグを通過したとき、光放射スペクトルは光 フアイバ窓（Ｓｕｐｒａｓｉｌ）および光学レンズまたは光ファイバのいずれか を経てモノクロメータにより観測された。窓は研究下のスペクトルの光波長を吸 収しない。スペクトルビームは光信号をモノクロメータに伝送するために光学レ ンズまたは光フアイバケーブルを使用して集中される。モノクロメータからのデ ータは分析と較正のためにコンピュータに供給された。

このように種々のシステム中のガス類を検出するためのスパーク励起蛍光検出器 が開示された。説明された実施例は自動車排気システムであるが本発明はそれに 限定されず、本発明は燃料電池、煙突、修復システム、内燃機関システムのよう な動作期間中にガス類を使用および／または排気する多数のシステムに適用され る。明白な特性の種々の変化、変形は本発明の技術的範囲を逸脱することなく行 われることが理解されよう。例えば本発明は煙突のガスを抽出するチャンバを含 み、サンプルを励起手段に提供する。

本発明はＮｏ　と反応し大気中のＮｏ　を減少するため修！　！ 復システムに付加されるアンモニアのような付加的な薬物のガスレベルの監視を 含む。吸入口の付加的なレベルと出力の付加的なレベルとＮｏ　レベルとの間の フィードバックルー！ プは両者の端部て一定の監視を提供する。励起される付加的な薬剤の分子は他の ガス類に対する前述した方法と同様に決定される波長において特有な蛍光を有す る。本発明は前述したように適切な帯域通過フィルタで特有の波長または帯域を 感知する。これらの変化および他のこのような変化、変形は添付の請求の範囲に 限定されているように本発明の技術的範囲内にあると考えられる。

図１ 図２ （ａ）　図５ 強度（任意の単位） 波長（ｎｍ） 波長（ｎｍ） （Ｃ〉 強度（任意の単位） 波長（ｎｍ） （ｄ） 強度（任意の単位） 図６ 波長（ｎｍ） 手続補正書 平成５年１１月２＋日

Claims (22)

【特許請求の範囲】
1. （１）ガス類を監視するスパーク励起蛍光センサにおいて、（ａ）励起状態の分 子が基底状態への崩壊で蛍光を放射するように前記ガス類の分子を基底状態から 励起状態まで励起する励起手段と、 （ｂ）前記放射された蛍光を集収するための光集収手段と、（ｃ）光信号として 前記集収した蛍光を伝送するための光伝送手段と、 （ｄ）検出される前記ガス類に対応して前記光信号からの波長の予め定められた 帯域を選択するフィルタ手段と、（ｅ）フィルタ処理された光信号を対応する電 気信号に変換するための検出手段と、 （ｆ）前記電気信号を処理し出力信号を検出された各ガスの濃度に対応して提供 する信号処理手段とを具備するスパーク励起蛍光センサ。
2. （２）前記検出手段からの電気信号を増幅するための増幅手段を含む請求項１記 載のセンサ。
3. （３）励起手段が励起源により付勢されるスパークプラグを具備する請求項１記 載のセンサ。
4. （４）前記光集収手段が出力ファイバ窓を具備する請求項１記載のセンサ。
5. （５）前記光伝送手段が光ファイバの束を有する請求項１記載のセンサ。
6. （６）前記フィルタ手段が複数の帯域通過フィルタを具備し、各通過帯域フィル タは予め定められたガスと関連する独特の帯域を通過するように設定されている 請求項１記載のセンサ。
7. （７）前記検出手段が複数の検出器を具備し、各検出器は前記帯域通過フィルタ の１つと動作的に関連する請求項６記載のセンサ。
8. （８）実質的にＣＨ４のないＣＯを含むガスが前記予め定められた帯域が約４０ ２ｎｍとして選択されることにより検出される請求項１記載のセンサ。
9. （９）ＮＯを含むガスが前記予め定められた帯域が約８７２ｎｍして選択される ことにより検出される請求項１記載のセンサ。
10. （１０）Ｎ２が内部標準として使用され、前記予め定められた帯域が約３３７ｎ ｍとして選択されることにより検出される請求項１記載のセンサ。
11. （１１）前記信号処理手段が各種類のガスの標準強度を提供し、標準化された強 度を前記信号処理手段に設置されている較正曲線手段により濃度へ変換されるよ うにＮ２からの光信号に関して前記各ガスからの光信号を標準化する請求項１０ 記載のセンサ。
12. （１２）環境的システムの吸入口および出力ガスを監視するスパーク励起蛍光セ ンサにおいて、 （ａ）前記励起状態の前記分子が前記基底状態への崩壊において蛍光を放射する ように基底状態から励起状態へ前記自動車の排気ガス中の分子を励起するスパー クプラグと、（ｂ）放射された前記蛍光を集収するための光ファイバ窓と、 （ｃ）光信号として前記集収された蛍光を伝送する光ファイバの束と、 （ｄ）それぞれが予め定められた種類のガスに関して独特の帯域を通過するよう に設定されている複数の帯域通過フィルタと、 （ｅ）それぞれが動作的に前記帯域通過フィルタの１つと関連する前記光信号を 対応する電気信号に変換するための複数の検出器と、 （ｆ）各ガスの検出された濃度に対応して出力信号を提供するための信号処理手 段とを具備するスパーク励起蛍光センサ。
13. （１３）前記検出器から前記電気信号を増幅するための増幅手段をさらに含む請 求項１２記載のセンサ。
14. （１４）実質上ＣＨ４のないＣＯを含むガスが約４０２ｎｍの前記予め定められ た帯域として選択されることにより検出される請求項１２記載のセンサ。
15. （１５）ＮＯを含むガスが約８７２ｎｍの前記予め定められた帯域として選択さ れることにより検出される請求項１２記載のセンサ。
16. （１６）Ｎ２が内部標準として使用され、約３３７ｎｍの前記予め定められた帯 域として選択されることにより検出される請求項１２記載のセンサ。
17. （１７）前記各ガスに対する標準化された強度を提供し、標準化された強度を前 記信号処理手段に設けられている較正曲線により濃度に変換するために前記信号 処理手段が前記各ガスからの光信号をＮ２からの光信号に関して標準化する請求 項１６記載のセンサ。
18. （１８）より効率的なシステム性能を提供するための情報を生成するために種々 のガスを監視する方法において、（ａ）基底状態から励起状態に前記種々のガス を励起し、前記励起状態の前記分子は前記基底状態への崩壊において蛍光を放射 し、 （ｂ）前記放射された蛍光を集収し、 （ｃ）光信号として前記集収した蛍光を伝送し、（ｄ）検出される前記ガスに対 応する波長の予め定められた帯域を選択し、 （ｅ）波長の前記予め定められた帯域を検出し、前記光信号を対応する電気信号 に変換し、 （ｆ）検出される各ガスの濃度に対応する出力信号を与えるため類前記電気信号 を処理することからなる種々のガスを監視する方法。
19. （１９）実質上ＣＨ４のないＣＯからなるガスが約４０２ｎｍの前記予め定めら れた帯域を選択することにより検出される請求項１８記載の方法。
20. （２０）ＮＯを含むガスが約８７２ｎｍの前記予め定められた帯域を選択するこ とにより検出される請求項１８記載の方法。
21. （２１）Ｎ２が内部標準として使用され、約３３７ｎｍの前記予め定められた帯 域として選択されることにより検出される請求項１８記載のセンサ。
22. （２２）前記各ガスの標準化された強度を提供し、標準化された強度を前記信号 処理手段に設けられている較正曲線により濃度に変換するために前記信号処理手 段が前記各ガスからの光信号をＮ２からの光信号に関して標準化する請求項２１ 記載のセンサ。