(57)【要約】【課題】ガス濃度の分布を定量的に表すことができるガス濃度分布検出方法及びガス濃度分布検出装置を提供する。【解決手段】光吸収法により算出した測定対象ガスＧの平均ガス濃度Ｃと、測定光の光路線Ｌに直交する方向から測定光を撮影して測定対象ガスＧの蛍光画像Ｐから検出した測定対象ガスＧの相対的な蛍光強度分布に基づいて、光路線Ｌ上の各位置における測定対象ガスＧの絶対的なガス濃度を算出し、測定対象ガスＧのガス濃度分布を定量的に表す。【選択図】図１
2010139276.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定場に存在する測定対象ガスのガス濃度分布を検出するガス濃度分布検出方法において、
前記測定場の一方から他方に向かって測定光を出力し、
前記測定場の他方で前記測定光を受光し該受光した前記測定光の光強度に基づいて前記測定対象ガスの平均ガス濃度を算出する一方、
前記測定光の光路線に直交する方向から前記測定光を撮影して前記測定対象ガスの蛍光画像を取得し、
該取得した蛍光画像から前記光路線上における前記測定対象ガスの相対的な蛍光強度の分布を検出し、
該蛍光強度の分布と前記平均ガス濃度に基づいて、前記光路線上の各位置における前記測定対象ガスのガス濃度を算出し、前記測定対象ガスの絶対的なガス濃度分布を検出することを特徴とするガス濃度分布検出方法。
【請求項２】
前記光路線上の各位置における測定対象ガスのガス濃度は、
前記蛍光強度分布の平均値と前記光路線上の各位置における蛍光強度との比を用いて、前記平均ガス濃度を基準とした比例計算によって算出されることを特徴とする請求項１に記載のガス濃度分布検出方法。
【請求項３】
測定場に存在する測定対象ガスのガス濃度分布を検出するガス濃度分布検出装置において、
前記測定場の一方から他方に向かって測定光を出力する測定光出力手段と、
前記測定場の他方で前記測定光を受光する受光手段と、
該受光手段により受光した前記測定光の光強度に基づいて前記測定対象ガスの平均ガス濃度を算出する平均ガス濃度算出手段と、
前記測定光の光路線に直交する方向から前記測定光を撮影して前記測定対象ガスの蛍光画像を取得する撮影手段と、
該撮影手段により取得した蛍光画像から前記光路線上における前記測定対象ガスの相対的な蛍光強度分布を検出する蛍光強度分布検出手段と、
該蛍光強度分布検出手段により検出した前記測定対象ガスの蛍光強度分布と前記平均ガス濃度算出手段により算出した前記平均ガス濃度に基づいて、前記光路線上の各位置における前記測定対象ガスのガス濃度を算出し、前記測定対象ガスの絶対的なガス濃度分布を検出するガス濃度分布検出手段と、
を有することを特徴とするガス濃度分布検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定対象ガスによる測定光の吸収を利用してガス濃度の分布を求めるガス濃度分布検出方法及びガス濃度分布検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガス濃度を求める方法の一つとして、光吸収法が従来から公知となっている。光吸収法では、例えば、測定対象のガスのガス成分が固有に持つ吸収線に対応した波長の測定光を入射し、測定対象ガスの中を通過させた後の光強度を検出して、その吸収量から濃度を求めている。吸収量は、光が通過した光路中における測定対象ガスの濃度に依存している。
【０００３】
尚、下記の特許文献１には、赤外吸収法によるガス分析計の目的成分の指示値に影響を与えるにもかかわらず赤外吸収法では濃度測定が困難な共存ガスの濃度及び濃度変化を、赤外吸収法で測定可能な目的成分の指示値から推定し、目的成分の指示値を補正する技術が提案されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−９９７８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記した従来の光吸収法の場合、光路中における光強度の総吸収量から濃度を求めているので、その濃度は結果的に光路中における平均ガス濃度となる。従って、測定場におけるガスのガス濃度が均一ではなく、ガス濃度の分布をもつ場合においては、分布を定量的に表すことができず、適用性が問題となる場合がある。
【０００６】
図６及び図７は、従来の光吸収法によりガス濃度を測定する方法を示す図である。例えば図６に示すように、測定光出力手段１０１から受光手段１０２に測定光を出力した場合に、ガス通路１００内の測定対象ガスＧのガス濃度が均一である均一場では、光路線Ｌ上のガス濃度は各位置で同一であり、このときの測定結果は平均濃度Ｃ１となり、ガス通路１内のガス濃度と一致する。
【０００７】
一方、図７に示すように、ガス通路１内の測定対象ガスＧに高濃度部分Ｇ１、Ｇ２と低濃度部分Ｇ３が存在しており、測定対象ガスＧのガス濃度が不均一である不均一場では、光路線Ｌ上のガス濃度が各位置で異なるにもかかわらず、このときの測定結果である平均濃度Ｃ２が図６の平均濃度Ｃ１と同一となる可能性もある。従って、実現象とは異なるおそれがあり、例えば、触媒に対するガス当たりの評価等に用いる場合等、平均値だけでは現象解析に不十分である。
【０００８】
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、測定場における測定対象ガスのガス濃度の分布を定量的に表すことができるガス濃度分布検出方法及びガス濃度分布検出装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するガス濃度分布検出方法の発明は、測定場に存在する測定対象ガスのガス濃度分布を検出するガス濃度分布検出方法において、測定場の一方から他方に向かって測定光を出力し、測定場の他方で測定光を受光し、その受光した測定光の光強度に基づいて測定対象ガスの平均ガス濃度を算出する一方、測定光の光路線に直交する方向から測定光を撮影して測定対象ガスの蛍光画像を取得し、その取得した蛍光画像から光路線上における測定対象ガスの相対的な蛍光強度の分布を検出し、蛍光強度の分布と平均ガス濃度に基づいて、光路線上の各位置における測定対象ガスのガス濃度を算出し、測定対象ガスの絶対的なガス濃度分布を検出することを特徴としている。
【００１０】
本発明によれば、測定対象ガスの相対的な蛍光強度の分布と、平均ガス濃度に基づいて、光路線上の各位置における測定対象ガスの絶対的なガス濃度を算出するので、測定対象ガスのガス濃度分布を定量的に表すことができる。
【００１１】
また、光路線上の各位置における測定対象ガスのガス濃度は、蛍光強度分布の平均値と光路線上の各位置における蛍光強度との比を用いて、平均ガス濃度を基準とした比例計算によって算出することが好ましい。
【００１２】
また、上記課題を解決する本発明のガス濃度分布検出装置は、測定場に存在する測定対象ガスのガス濃度分布を検出するガス濃度分布検出装置において、測定場の一方から他方に向かって測定光を出力する測定光出力手段と、測定場の他方で測定光を受光する受光手段と、受光手段により受光した測定光の光強度に基づいて測定対象ガスの平均ガス濃度を算出する平均ガス濃度算出手段と、測定光の光路線に直交する方向から測定光を撮影して測定対象ガスの蛍光画像を取得する撮影手段と、撮影手段により取得した蛍光画像から光路線上における測定対象ガスの相対的な蛍光強度分布を検出する蛍光強度分布検出手段と、蛍光強度分布検出手段により検出した測定対象ガスの蛍光強度分布と平均ガス濃度算出手段により算出した平均ガス濃度に基づいて、光路線上の各位置における測定対象ガスのガス濃度を算出し、測定対象ガスの絶対的なガス濃度分布を検出するガス濃度分布検出手段とを有することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、測定対象ガスの相対的な蛍光強度分布と平均ガス濃度に基づいて、光路線上の各位置における測定対象ガスの絶対的なガス濃度を算出するので、測定対象ガスのガス濃度分布を定量的に表すことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
次に、本発明の実施の形態について図面を用いて以下に説明する。
図１は、本実施の形態におけるガス濃度分布検出方法及び装置を説明する図である。
本実施の形態では、赤外吸収法により測定対象ガスＧの測定場における光路線Ｌ上の平均ガス濃度を検出する平均ガス濃度検出工程（ステップＳ１）と、ＬＩＦ（レーザ誘起蛍光）法により光路線Ｌ上の相対的なガス濃度分布を検出するガス濃度分布検出工程（ステップＳ２）と、これら各工程により検出した平均ガス濃度Ｃとガス濃度分布に基づいて光路線Ｌ上の各位置における測定対象ガスＧの絶対的なガス濃度を算出する演算工程（ステップＳ３）とを有している。
【００１５】
ガス濃度分布検出装置の概念図である図１（ａ）に示すように、測定対象ガスＧが存在するガス通路１の測定場には、ガス通路１の中央を測定光の光路線Ｌが横切って通過するように、光源部（測定光出力手段）２と受光部（受光手段）３が対向配置されている。光源部２からは、赤外レーザ光が測定光として出力される。
【００１６】
ガス通路１の光路線Ｌに直交する部位には、ガス通路１内の測定対象ガスＧの蛍光強度分布を撮影するための光透過性の測定窓４が設けられている。そして、ガス通路１の側方で且つ測定窓４に対向する位置には、サーモビューアなどの赤外域を撮影可能な撮影手段であるカメラ装置５が配設されている。
【００１７】
カメラ装置５は、光路線Ｌに直交する方向から赤外レーザ光を撮影して測定対象ガスＧの蛍光画像Ｐを取得する。そして、撮影した蛍光画像Ｐから光路線Ｌ上における測定対象ガスＧの相対的な蛍光強度分布が検出される。蛍光強度分布は、ガス濃度の相対的な差を求めるものであり、輝度が強くなる（明るくなる）に応じてガス濃度が濃く、輝度が弱くなる（暗くなる）に応じてガス濃度が薄くなる。
【００１８】
［ステップＳ１］
平均濃度検出工程では、光源部２から赤外レーザ光を出力させてガス通路１内の測定対象ガスＧ中を通過させ、受光部３で受光させる。そして、受光部３で受光した赤外レーザ光の光強度に基づいて、光路線Ｌ上の測定対象ガスＧの平均ガス濃度Ｃを算出する（赤外吸収法）。この平均ガス濃度Ｃの算出は、ガス濃度分布検出装置の図示していない平均ガス濃度算出手段によって行われる。
【００１９】
［ステップＳ２］
濃度分布検出工程では、光源部２から出力された赤外レーザ光をカメラ装置５で撮影し、その蛍光画像から光路線Ｌ上の蛍光強度分布を検出する（ＬＩＦ法）。蛍光画像Ｐに表される蛍光強度分布は、測定場における光路線Ｌ上の相対的なガス濃度の分布を反映したものとなる。
【００２０】
例えば、図１（ａ）に示すように、ガス通路１内の測定場において光路線Ｌ上に比較的高濃度のガス部分Ｇ１、Ｇ２と比較的低濃度のガス部分Ｇ３とが混在する測定対象ガスＧの分布状態である場合、ＬＩＦ法によって検出した測定対象ガスＧの相対的な蛍光強度分布では、高濃度部分Ｇ１、Ｇ２に対応する箇所の輝度が相対的に強く表れ、低濃度部分Ｇ１に対応する箇所の輝度が相対的に弱く表れる。図１（ｂ）のグラフは、図１（ａ）の状態で、光路線Ｌ上の位置に対応する蛍光強度を示すものである。この蛍光強度分布の検出は、ガス濃度分布検出装置の図示していない蛍光強度分布検出手段によって行われる。
【００２１】
［ステップＳ３］
演算工程では、濃度分布検出工程（ステップＳ２）で検出した蛍光強度分布の平均値を求める。この蛍光強度分布の平均値は、赤外吸収法により求めた平均濃度Ｃに対応している。従って、蛍光強度分布の平均値と光路線Ｌ上の各位置における蛍光強度との比を用いて、平均ガス濃度Ｃを基準とした比例計算によって、光路線Ｌ上の各位置における測定対象ガスＧのガス濃度を算出することができ、測定場における測定対象ガスＧの絶対的なガス濃度分布を検出することができる（図１（ｃ）を参照）。
【００２２】
このように本実施の形態におけるガス濃度分布検出方法及び装置によれば、赤外吸収法により求めた平均ガス濃度Ｃと、ＬＩＦ法により求めた蛍光強度分布に基づいて、光路線Ｌ上の各位置における測定対象ガスＧのガス濃度を求めることができ、測定対象ガスＧの絶対的なガス濃度分布を検出することができる。
【００２３】
［実施例］
次に、実施例について図２〜図５を用いて以下に説明する。本実施例は、エンジン１０の燃焼室１１を測定場とし、燃焼室１１内における未燃燃料を測定対象ガスＧとしてその濃度分布を定量的に測定する場合に適用したものである。
【００２４】
図２は、ガス濃度分布検出装置の構造を示す断面図、図３は、カメラ装置５で撮影した測定光の蛍光画像Ｐを模式的に示す図、図４は、光路線Ｌ上の蛍光強度分布を示すグラフ、図５は、光路線Ｌ上のガス濃度分布を示す図である。
【００２５】
エンジン１０は、例えば一般的な４サイクルエンジンであり、シリンダボア１２内にピストン１３が往復移動可能に収容されたシリンダブロック１４と、シリンダブロック１４の上部に取り付けられてピストン１３との間に燃焼室１１を形成しかつ吸気通路１５及び排気通路１６との間を開閉する吸排気弁１７を備えたシリンダヘッド１８とを有している。
【００２６】
そして、シリンダブロック１４の上部には、レーザ装置（測定光出力手段）２１と吸収光検出器（受光手段）２２が取り付けられている。レーザ装置２１は、燃焼室１１内において排気側から吸気側に向かって赤外レーザ光を出力し且つその赤外レーザ光の光路線Ｌがシリンダボア１２の中央を径方向に通過するように取り付けられている。レーザ装置２１は、燃料によって吸収可能な波長を有する赤外レーザ光を出力する構成を有しており、本実施例では１３００ナノメートルから１６００ナノメートルの波長に設定されている。
【００２７】
吸収光検出器２２は、例えばフォトダイオード等によって構成されており、シリンダボア１２を間に介してレーザ装置２１と対向する位置に取り付けられている。そして、燃焼室１１内を通過した赤外レーザ光を受光してその光強度を検出可能となっている。
【００２８】
シリンダブロック１４の上部には、シリンダブロック１４の側方から燃焼室１１内を撮影するための測定窓１９が設けられている。測定窓１９は、光路線Ｌに直交する方向に設けられており、測定窓１９に対向する位置には、燃焼室１１内における赤外レーザ光を撮影して蛍光画像を取得するためのカメラ装置（図示せず）が設けられている。
【００２９】
また、特に図示していないが、ガス濃度分布検出装置は、コンピュータ等によって構成された制御手段を有している。制御手段は、専用のプログラムを実行することにより、内部機能として、平均ガス濃度算出手段と、蛍光強度分布検出手段と、ガス濃度分布検出手段が構成される。
【００３０】
平均ガス濃度算出手段は、吸収光検出器２２により検出した赤外レーザ光の光強度に基づいて燃焼室１１内における未燃燃料の平均ガス濃度Ｃを算出する処理を行う。蛍光強度分布検出手段は、カメラ装置５により撮影した蛍光画像から赤外レーザ光の光路線Ｌ上における未燃燃料の相対的な蛍光強度分布を検出する処理を行う。
【００３１】
ガス濃度分布検出手段は、蛍光強度分布検出手段により検出した測定対象ガスＧの蛍光強度分布と平均ガス濃度算出手段により算出した平均ガス濃度Ｃに基づいて、赤外レーザ光の光路線Ｌ上の各位置における未燃燃料のガス濃度を算出し、測定対象ガスＧの絶対的なガス濃度分布を検出する処理を行う。
【００３２】
上記構成において、エンジン排気行程で未燃燃料のガス濃度を測定する場合、レーザ装置２１から赤外レーザ光が出力される。そして、シリンダボア１２の中心を通過して吸気側に抜けた吸収光の光強度が吸収光検出器２２によって計測されて、光路線Ｌ上における未燃燃料の平均ガス濃度Ｃが算出される。
【００３３】
また、カメラ装置によって赤外レーザ光が撮影され、図３に示すように、その蛍光画像Ｐを得る（ＬＩＦ法）。そして、蛍光画像の輝度の値から、図４に示すように、光路線Ｌ上における測定対象ガスＧの相対的な蛍光強度の分布が検出される。蛍光強度分布の平均値Ｖは、吸収計測で得られた平均ガス濃度Ｃに対応している。
【００３４】
従って、蛍光強度分布の平均値Ｖと光路線Ｌ上の各位置における蛍光強度との比を用いて、平均ガス濃度Ｃを基準とした比例計算によって、光路線Ｌ上の各位置における未燃燃料の絶対的なガス濃度を算出することができ、光路線Ｌ上のガス濃度分布を定量的に表すことができる。
【００３５】
例えば、本実施例では、蛍光強度分布の平均値が５．８であるのに対して、ガス濃度分布の平均値Ｖが５２８ｐｐｍとなっている。そして、筒内位置２０ミリメートルの位置における蛍光強度が相対値８．０であるので、その位置におけるガス濃度ｘは、比例計算により（５．８：５２８＝８．０：ｘ）、約７２８ｐｐｍであると求めることができる。このようにして、光路線Ｌ上の各位置における絶対的なガス濃度を算出し、図５に示すようなガス濃度分布を表すことができる。
【００３６】
本発明は、上述の実施の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変更が可能である。例えば、上述の実施の形態では、赤外吸収法の場合を例に説明したが、受光部で光強度を計測でき且つカメラ装置で蛍光強度分布を撮影することができるものであればよく、可視光や緑色レーザであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本実施の形態におけるガス濃度分布検出方法を説明する図。
【図２】ガス濃度分布検出装置の構造を示す断面図。
【図３】カメラ装置で撮影した蛍光画像を模式的に示す図。
【図４】光路線上の蛍光強度分布を示すグラフ。
【図５】光路線上の濃度分布を示す図。
【図６】従来の光吸収法によりガス濃度を測定する方法を示す図。
【図７】従来の光吸収法によりガス濃度を測定する方法を示す図。
【符号の説明】
【００３８】
１  ガス通路
２  光源部（測定光出力手段）
３  受光部（受光手段）
４  測定窓
５  カメラ装置
１０  エンジン
１１  燃焼室
２１  レーザ装置（測定光出力手段）
２２  吸収光検出器（受光手段）
Ｃ  平均ガス濃度
Ｇ  測定対象ガス
Ｇ１、Ｇ２  高濃度部分
Ｇ３  低濃度部分
Ｌ  光路線
Ｖ  蛍光強度の平均値
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2010139276.tif 000007
【図６】
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【図７】
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