JPH1090228A - 排ガス中のpm測定装置 - Google Patents

排ガス中のpm測定装置

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JPH1090228A
JPH1090228A JP8263654A JP26365496A JPH1090228A JP H1090228 A JPH1090228 A JP H1090228A JP 8263654 A JP8263654 A JP 8263654A JP 26365496 A JP26365496 A JP 26365496A JP H1090228 A JPH1090228 A JP H1090228A
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JP
Japan
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gas
flow path
concentration
exhaust gas
sof
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JP8263654A
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English (en)
Inventor
Masayuki Adachi
正之 足立
Shigeo Nakamura
成男 中村
Yutaka Yamagishi
豊 山岸
Minoru Inai
穣 井内
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Horiba Ltd
Original Assignee
Horiba Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 サンプルガスを多数のガス流路に分岐するこ
となく、SootとSOFの濃度をそれぞれを連続的に
しかも高速で測定できる排ガス中のPM測定装置を提供
すること。 【解決手段】 内燃機関1からの排ガスGを191℃の
状態でサンプリングしてFID7で測定し、その出力信
号を信号処理してSoot濃度を得る。前記排ガスG
を、固気二相流中の気相濃度のみを測定するガス分析計
8,14を用いて191℃および52℃の状態で測定
し、それらの出力の差に基づいてSOF濃度を得る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、例えばディーゼ
ルエンジンなど内燃機関から排出されるガス中に含まれ
るPM(Particulate Matter、すす
などの微粒子状物質)を定量分析する排ガス中のPM測
定装置に関する。
【0002】前記PMは、フィルタ重量法によって、次
のように定義されている。すなわち、エンジン排ガスを
希釈トンネルを用いて空気で52℃以下まで希釈、冷却
し、0.3μmの標準粒子を95%以上捕集できる炭化
フッ素被膜ガラス繊維フィルタやメンブランフィルタな
どによってフィルタ上に捕集された固形または液状の粒
子の総和をPMという。そして、捕集後、気温25℃、
湿度60%の雰囲気中に8時間以上放置した後の重量を
PMの重量という。
【0003】また、前記PMは、有機溶媒に溶解し主と
して炭化水素成分であるSOF(Soluble Or
ganic Fraction)とISF(Insol
uble Fraction)とに大別でき、ISFに
は、主として炭素成分であるdry Soot(以下、
単にSootという)とサルフェートと水分とが含まれ
る。なお、PMの測定と分析については、例えば、日本
機械学会(No.95−29)講習会教材(’95.
6.1〜2、東京、内燃機関の燃焼と排気改善のための
計測技術)「粒子状物質の測定と分析」〔(財)日本自
動車研究所 山崎均〕がある。
【0004】
【従来の技術およびその問題点】ところで、上述のフィ
ルタ重量法は、PMを付着・捕集したフィルタを精密天
秤を用いて測定するものであり、所謂連続測定を行うこ
とができない。これに対して、排気ガス中のPMを連続
的に測定する方法としては、特公平2−31820号公
報に示すものがある。このPM測定方法は、HC(炭化
水素)に感度がある波長の光とHCに感度がない波長の
光とをサンプルガスに照射して、サンプルガスの吸収を
測定し、そのとき得られるデータを、経験によって得ら
れた数式を用いて、SOFおよびSootの量を算出す
るようにしたものである。
【0005】しかしながら、上記公報のPM測定方法
は、粒子による光散乱理論や気相HCの吸収による影響
を考慮してなく、また、得られる結果に理論的裏付けが
なく、真にSOFやSootを計測しているとはいえな
いといった問題がある。
【0006】これに対して、本願出願人が平成7年6月
17日付けで特許出願している「排ガス中のPM測定装
置」(特願平7−174226号)がある。このPM測
定装置は、内燃機関から排出されるガスがサンプルガス
として定容量流れるサンプルガス流路を互いに並列的な
3つのガス流路に分岐し、第1分岐ガス流路には第1水
素炎イオン化検出器を設け、第2分岐ガス流路および第
3分岐ガス流路には前記サンプルガス中に含まれるPM
を捕集する特性が互いに異なるフィルタ装置をそれぞれ
設けるとともに、これらのフィルタ装置の下流側にそれ
ぞれ第2水素炎イオン化検出器および第3水素炎イオン
化検出器を設け、第1水素炎イオン化検出器と第2水素
炎イオン化検出器との差、第3水素炎イオン化検出器と
第2水素炎イオン化検出器との差、第1水素炎イオン化
検出器と第3水素炎イオン化検出器との差に基づいてサ
ンプルガス中のPM濃度、SOF濃度、Soot濃度を
それぞれ同時に得られるようにしたものである。
【0007】上記先願に係る発明は、従来からHC成分
の分析に使用されていた水素炎イオン化検出器(Fla
me Ionization Detector、以
下、FIDという)によって、C(炭素)をも検出する
ことができるといった知見に基づいてなされたもので、
その意味では非常に画期的な発明であるが、サンプルガ
スを互いに並列に設けられた3つのガス流路に流す必要
があり、これらのガス流路における同期をとるのが困難
であるといった問題があり、この点改良の余地が残され
ている。
【0008】この発明は、上述の事柄に留意してなされ
たもので、その目的は、サンプルガスを多数のガス流路
に分岐することなく、SootおよびSOFのそれぞれ
を連続的にしかも高速で測定できる排ガス中のPM測定
装置(以下、単にPM測定装置という)を提供すること
である。
【0009】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、この出願の第1発明のPM測定装置は、内燃機関か
ら排出されるガスが定流量流れるガス流路の上流側に分
岐流路を接続し、この分岐流路にFIDを設けるととも
に、前記上流側に、固気二相流中の気相濃度のみを測定
する第1ガス分析計をガス流路に臨むようにして設け、
前記分岐流路および第1ガス分析計よりも下流側のガス
流路に、排ガスを冷却するためのガスを導入する流路を
接続し、この冷却ガス導入路より下流側に、固気二相流
中の気相濃度のみを測定する第2ガス分析計をガス流路
に臨むようにして設け、前記FIDに所定の高温の排ガ
スを供給し、そのときFIDから得られる出力信号にお
ける特徴に対応した信号処理を行うことによりSoot
濃度を得るとともに、前記二つのガス分析計の出力信号
の差をとることによりSOF濃度を得るようにしてい
る。
【0010】第1発明のPM測定装置においては、PM
を含む排ガスをFIDに直接導入すると、このFIDか
らは、図3に示すように、SOFを含んだTHC(To
tal Hydro−Carbon)に対応した信号a
とSootに対応した信号bとが重畳したFID信号f
が得られる。このFID信号fのうち、信号成分aは緩
やかな変化をするものであり、ローパスフィルタによっ
て取り出すことができ、信号成分bは、信号成分aと異
なり、パルスノイズ的な信号であるので、例えばコンパ
レータを用いることによって、信号成分bのみを取り出
すことができる。したがって、SOFを含んだTHC濃
度とSoot濃度を互いに区別して得ることができる。
【0011】そして、第1ガス分析計ではSOFを含ん
だTHC濃度が計測され、第2ガス分析計ではSOFを
含まないHC濃度が計測されるので、両ガス分析計の出
力の差をとることにより、SOF濃度が得られる。
【0012】したがって、第1発明のPM測定装置によ
れば、SootとSOFの濃度を互いに区別して連続的
にしかも高速で測定することができる。
【0013】また、第2発明のPM測定装置は、内燃機
関から排出されるガスが定流量流れるガス流路の上流側
に分岐流路を接続し、この分岐流路に水素炎イオン化検
出器を設ける一方、前記分岐流路よりも下流側のガス流
路に、前記排ガスを冷却するためのガスを導入する流路
を接続し、この冷却ガス導入路より下流側に、固気二相
流中の気相濃度のみを測定するガス分析計をガス流路に
臨むようにして設け、前記水素炎イオン化検出器に所定
の高温の排ガスを供給し、そのとき水素炎イオン化検出
器から得られる出力信号における特徴に対応した信号処
理を行って、Soot濃度と、SOFを含んだTHC濃
度とを得るとともに、前記ガス分析計によって冷却され
た排ガスにおけるHC濃度を得て、このHC濃度を、前
記THC濃度から差し引くことにより、SOF濃度を得
るようにしている。
【0014】この第2発明のPM測定装置においても、
第1発明と同様に、FIDの出力をその信号出力の特徴
に応じた処理を施すことにより、SOFを含んだTHC
濃度とSoot濃度とを区別して得ることができる。
【0015】そして、ガス分析計から得られるHC濃度
と、前記THC濃度とから、近似的にSOF濃度が得ら
れる。
【0016】したがって、第2発明のPM測定装置によ
れば、SootとSOFの濃度を互いに区別して連続的
にしかも高速で測定することができる。
【0017】
【発明の実施の形態】以下、この発明の好ましい実施例
を、図を参照しながら説明する。
【0018】図1は、第1実施例に係るPM測定装置の
一例を概略的に示すもので、この図において、1はディ
ーゼルエンジン、2はディーゼルエンジン1に接続され
る排気管、3は排気管2に接続されるサンプルガス流路
(以下、ガス流路という)で、その下流端には排気管2
を流れる排ガスGをガス流路3内に所定の定流量で吸引
するポンプ4が設けられている。そして、ガス流路3の
上流側3Aの管路は、それを流れる排ガスGを所定の温
度(191℃)に維持できるよう適宜の手段で温調され
ている。
【0019】5はガス流路3の上流側の温領域3Aにお
いて接続される分岐流路で、6はそのサンプリングプロ
ーブである。この分岐流路5にはFID7が設けられて
いる。この分岐流路5もそれを流れる排ガスGを所定の
191℃となるように適宜の手段で温調されている。
【0020】8はガス流路3の分岐流路5よりやや下流
側の温領域3Aに設けられる第1ガス分析計で、IRE
S法の測定原理に基づいて、ガス流路3中を流れる固気
二相である排ガスG(191℃)における気相(HC)
濃度のみを測定するものである。なお、IRES法の詳
細については、”Non−Intrusive Mea
surement of Gaseous Speci
es in Reacting and Non−Re
acting Sprays”(Combust.Sc
i.and Tech.1991,Vol.75.p
p.179−194)に詳しく紹介されている。
【0021】前記第1ガス分析計8は、次のように構成
されている。すなわち、ガス流路3の温領域3Aの対向
する側壁3a,3bに赤外光透過材よりなる窓9a,9
bが形成されている。そして、一方の窓9aの外側に赤
外光源10がガス流路3を臨むように配置され、他方の
窓9bの外側に多波長検出器11が設けられている。こ
の多波長検出器11は、例えば3つのフィルタを備えて
おり、一つのフィルタはHC測定波長の赤外光のみを通
過させ、残り二つのフィルタは前記測定波長を挟んで適
宜幅だけ隔たった比較波長の赤外光のみを通過させるよ
うに構成されている。図2は、前記3つのフィルタにお
ける透過波長の関係を概略的に示す図で、この図におい
て、λg は測定波長を、λr1,λr2は比較波長をそれぞ
れ示している。
【0022】前記ガス流路3の温領域3Aの下流側に
は、ガス流路3を流れる排ガスGを所定の温度(52
℃)に冷却するための冷却ガス(例えば清浄で低温の窒
素ガスなど)CGを導入するための冷却ガス導入管12
が接続されている。この冷却ガス導入管12には冷却ガ
スCGの流量を測定し、これが所定の流量になるように
調整するためのマスフローコントローラ13が設けられ
ている。この冷却ガス導入管12が接続点より下流側の
ガス流路3を冷領域3Bという。
【0023】14は冷却ガス導入管12の接続点よりや
や下流側の冷領域3Bに設けられる第2ガス分析計で、
IRES法の測定原理に基づいて、ガス流路3中を流れ
る固気二相である排ガスG(52℃)における気相(H
C)濃度のみを測定するものである。この第2ガス分析
計14は、前記第1ガス分析計8と同様に構成されてい
る。すなわち、ガス流路3の冷領域3Bの対向する側壁
3a,3bに赤外光透過材よりなる窓15a,15bが
形成されている。そして、一方の窓15aの外側に赤外
光源16がガス流路3を臨むように配置され、他方の窓
15bの外側に前記多波長検出器11と同様に構成され
た多波長検出器17が設けられている。
【0024】18は例えばアナログ系の信号処理装置
で、この信号処理装置18には、FID7、第1ガス分
析計8および第2ガス分析計14のそれぞれの出力f、
1 ,s2 がアンプ19,20,21を介して入力され
る。
【0025】上述のように構成されたPM測定装置の動
作について、図1および図3を参照しながら説明する。
図1に示すように、排気管2を流れるディーゼルエンジ
ン1から排出されるPMを含んだ排ガスGは、ポンプ4
の吸引動作によりガス流路3に一定量吸引され、ガス流
路3の温領域3Aには定流量の排ガスGが流れる。そし
て、この排ガスGの一部が191℃の状態でサンプリン
グプローブ6を介して分岐流路5に取り込まれる。19
1℃の排ガスG中におけるSOF成分は気体である。
【0026】前記排ガスGは、サンプルガスとしてFI
D7に導入され、この内部で燃焼し、そのときの火炎内
の熱解離によってHCのイオン化が生じ、図3に示すよ
うな信号fが出力され、これがアンプ19を介して信号
処理装置18に入力される。
【0027】前記ガス流路3を流れる他の排ガスGは、
サンプリングプローブ6よりさらに下流側に流れる。サ
ンプリングプローブ6より下流側に設けられている第1
ガス分析計8の赤外光源10からは多波長検出器11に
対して赤外光IRが照射されているので、前記排ガスG
はこの赤外光IRを横断し、その照射を受ける。これに
よって、第1ガス分析計8の多波長検出器11からは、
固気二相である排ガスG(191℃)におけるHC濃度
のみを表す信号s1 が出力され、これがアンプ20を介
して信号処理装置18に入力される。
【0028】そして、第1ガス分析計8を通過した排ガ
スGは、ガス流路3の冷領域3Bに至り、冷却ガス導入
管12を介して導入される所定温度の冷却ガスCGと接
触し、これと混じり合うことにより冷却され、52℃に
なるように調整される。この温度においては、排ガスG
中に含まれているSOFはPMに吸着している。このよ
うな排ガスGが冷領域3Bの下流側に流れる。この下流
側に設けられている第2ガス分析計14の赤外光源16
からは多波長検出器17に対して赤外光IRが照射され
ているので、前記排ガスGはこの赤外光IRを横断し、
その照射を受ける。これによって、多波長検出器17か
らは、固気二相である排ガスG(52℃)におけるHC
濃度のみを表す信号s2 が出力され、これがアンプ21
を介して信号処理装置18に入力される。
【0029】次に、前記信号処理装置18における信号
処理について説明すると、まず、FID7の出力信号f
は、図3に示すように、SOFを含んだTHCの量に比
例した信号成分aに、Sootの量に比例したパルスノ
イズ的な信号成分bが重畳したものとなっている。そし
て、このようなFID信号fを、二つの信号成分a,b
に分離弁別するには、各信号成分a,bにおける特徴に
対応した信号処理を行えばよい。
【0030】例えば、前記信号処理装置18内に、ロー
パスフィルタとコンパレータを設けることによって、前
記FID信号fを二つの信号成分a,bに分離すること
ができる。すなわち、SOFを含んだTHCの量に対応
する信号成分aは、時定数の長いローパスフィルタによ
って区別することができ、Sootに対応する信号成分
bは、その立ち上がりの速さと高さを基準にしてパルス
ノイズと判定することができるコンパレータを用いるの
である。
【0031】そして、上述のようにして分離された信号
成分a,bは、それぞれ、排ガスG中のSOFを含んだ
THCの量およびSootの量に対応したものであり、
これに所定の定数を乗ずることにより、SOFを含んだ
THCおよびSootの濃度を互いに区別して同時に得
ることができる。
【0032】また、第1ガス分析計8から出力される信
号s1 と第2ガス分析計14から出力される信号s
2 は、同一流路中の排ガスGに含まれるSOFの温度変
化と、冷却ガスによる温度変化および冷却ガスCGによ
る希釈に基づくものであるから、(s1 −s2 )を行
い、これに希釈比を所定の定数を乗ずることにより、S
OF濃度を得ることができる。
【0033】したがって、この第1発明のPM測定装置
によれば、SootとSOFの濃度を互いに区別して連
続的にしかも高速で測定することができる。
【0034】このように、上記第1実施例のPM測定装
置によれば、サンプルガスである排ガスGを3つのガス
流路に分枝することなく、SootとSOFとを連続測
定することができる。そして、複数のガス流路における
同期をとる必要がない。また、ガス流路にフィルタを設
ける必要もないので、デッドボリュームや時間遅れの心
配もない。
【0035】なお、上述の実施例においては、FID7
に連なるサンプリングプローブ6を、第1ガス分析計8
より上流側に設けているが、これらの位置関係を逆にし
てあってもよい。
【0036】上述の実施例では、FID7と、IRES
法の測定原理に基づいて、固気二相中の気相濃度のみを
測定するガス分析計を二つ(8,14)とを組み合わせ
たものであったが、この発明は、FID7と一つのIR
ES法ガス分析計を組み合わせてもよい。以下、これを
第2実施例として説明する。
【0037】図4は、第2実施例に係るPM測定装置の
一例を概略的に示すもので、この図において、図1に示
した符号と同一のものは同一物を示している。この実施
例のPM測定装置においては、ガス流路3の上流側の温
領域3Aには、ガス分析計を設けず、サンプリングプロ
ーブ6のみを設け、これに連なる分岐流路5にFID7
を設ける一方、温領域3Aの下流側の冷領域3Bには、
前記ガス分析計8,14と同様構成のガス分析計22を
設けている。
【0038】すなわち、ガス流路3の冷領域3Bの対向
する側壁3a,3bに赤外光透過材よりなる窓23a,
23bが形成されている。そして、一方の窓23aの外
側に赤外光源24がガス流路3を臨むように配置され、
他方の窓23bの外側に前記多波長検出器11,17と
同様に構成された多波長検出器15が設けられている。
26はアンプである。
【0039】上述のように構成されたPM測定装置にお
いても、ガス流路3を流れる192℃の排ガスGがFI
D7に導入され、FID7からの信号fが出力される。
この信号fは、アンプ19を介して信号処理装置18に
入力される。
【0040】前記ガス流路3を流れる他の排ガスGは、
ガス流路3の冷領域3Bに至り、冷却ガス導入管12を
介して導入される所定温度の冷却ガスCGと混ざり合う
ことにより冷却され、52℃になるように調整される。
この52℃になった排ガスGは、ガス分析計22の赤外
光源24から多波長検出器25に向けて発せられる赤外
光IRを横切ることとにより、多波長検出器25から
は、固気二相である排ガスG(52℃)におけるHC濃
度のみを表す信号sが出力され、これがアンプ26を介
して信号処理装置18に入力される。
【0041】そして、信号処理装置18においては、前
記FID7からの出力信号fを、上記第1実施例と同様
に、信号fの特徴に応じた信号処理を施すことにより、
SOFを含んだTHCとSootの濃度を互いに区別し
て得ることができる。
【0042】また、上記信号処理によって得られたSO
Fを含んだTHC濃度と、ガス分析計25からの出力s
に基づいて得られたHCIRES濃度とに基づいて、つま
り、(SOFを含んだTHC濃度)から(HCIRES
度)を差し引くことにより、SOF濃度を得ることがで
きる。
【0043】この場合、厳密に言えば、FID7によっ
て得られるTHC濃度と、ガス分析計25によって得ら
れるHCIRES濃度とは等しくないが、例えば、本願出願
人に係る「FTIRを用いた多成分定量分析方法」(特
開平4−265842号)に開示されている『赤外吸収
強度は炭素数に比例する』という関係を理論的裏付けと
することにより、両者をほぼ等しいと見做すことがで
き、前記引算の結果をSOF濃度とすることができる。
【0044】つまり、この第2実施例のPM測定装置に
おいても、SootとSOFの濃度をそれぞれ区別して
連続的にしかも高速で測定することができる。
【0045】そして、この実施例においても、上記第1
実施例と同様の効果を奏する。また、この実施例におい
ては、IRES法ガス分析計は一つでよいので、第1実
施例よりも構成が簡単である。
【0046】なお、上記各実施例においては、排ガスG
をそのまま測定するようにしているが、これを希釈して
測定してもよいことはいうまでもない。
【0047】また、信号処理装置18をディジタル系に
構成してあってもよい。
【0048】
【発明の効果】以上説明したように、第1発明および第
2発明によれば、ディーゼル排ガス中に含まれるSoo
tとSOFの濃度を連続的にしかも高速で測定すること
ができる。
【0049】そして、従来のようにサンプルガスを多く
のガス流路に分枝する必要がないので、各流路における
同期をとる必要がない。また、ガス流路にフィルタを設
ける必要もないので、デッドボリュームや時間遅れの心
配もない。
【0050】さらに、第1発明によれば、SootとS
OFの濃度を精度よく測定することができる。
【0051】また、第2発明によれば、構成がより簡単
である。
【0052】なお、上記両発明においては、必要により
THC濃度をも得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1発明のPM測定装置の一例を概略的に示す
図である。
【図2】前記PM測定装置において用いる多波長検出器
の3つのフィルタにおける透過波長の関係を概略的に示
す図である。
【図3】前記PM測定装置において用いるFIDの出力
の一例を示す図である。
【図4】第2発明のPM測定装置の一例を概略的に示す
図である。
【符号の説明】
1…内燃機関、3…ガス流路、5…分岐流路、7…水素
炎イオン化検出器(FID)、8…第1ガス分析計、1
2…冷却ガス導入路、14…第2ガス分析計、22…ガ
ス分析計、G…排ガス、CG…冷却ガス。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 井内 穣 京都府京都市南区吉祥院宮の東町2番地 株式会社堀場製作所内

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 内燃機関から排出されるガスが定流量流
    れるガス流路の上流側に分岐流路を接続し、この分岐流
    路に水素炎イオン化検出器を設けるとともに、前記上流
    側に、固気二相流中の気相濃度のみを測定する第1ガス
    分析計をガス流路に臨むようにして設け、前記分岐流路
    および第1ガス分析計よりも下流側のガス流路に、排ガ
    スを冷却するためのガスを導入する流路を接続し、この
    冷却ガス導入路より下流側に、固気二相流中の気相濃度
    のみを測定する第2ガス分析計をガス流路に臨むように
    して設け、前記水素炎イオン化検出器に所定の高温の排
    ガスを供給し、そのとき水素炎イオン化検出器から得ら
    れる出力信号における特徴に対応した信号処理を行うこ
    とによりSoot濃度を得るとともに、前記二つのガス
    分析計の出力信号の差をとることによりSOF濃度を得
    るようにしたことを特徴とする排ガス中のPM測定装
    置。
  2. 【請求項2】 内燃機関から排出されるガスが定流量流
    れるガス流路の上流側に分岐流路を接続し、この分岐流
    路に水素炎イオン化検出器を設ける一方、前記分岐流路
    よりも下流側のガス流路に、前記排ガスを冷却するため
    のガスを導入する流路を接続し、この冷却ガス導入路よ
    り下流側に、固気二相流中の気相濃度のみを測定するガ
    ス分析計をガス流路に臨むようにして設け、前記水素炎
    イオン化検出器に所定の高温の排ガスを供給し、そのと
    き水素炎イオン化検出器から得られる出力信号における
    特徴に対応した信号処理を行って、Soot濃度と、S
    OFを含んだTHC濃度とを得るとともに、前記ガス分
    析計によって冷却された排ガスにおけるHC濃度を得
    て、このHC濃度を、前記THC濃度から差し引くこと
    により、SOF濃度を得るようにしたことを特徴とする
    排ガス中のPM測定装置。
JP8263654A 1996-09-12 1996-09-12 排ガス中のpm測定装置 Pending JPH1090228A (ja)

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