(57)【要約】【課題】  ランニングコストや安全性の面での問題を解決し、かつ軽量化、コンパクト化が可能で相対感度も担保できる水素炎イオン化検出器を含んだガス分析装置を提供する【解決手段】  サンプルガスと燃料ガスとを混合して燃焼室５１で燃焼させ、その際に生じるイオン電流をコレクタ５２で検出するようにした水素炎イオン化検出器５に対し、燃料ガスとして略１００％の濃度の水素ガスを供給するとともに、前記燃焼室内の圧力を大気圧より低く制御するようにした。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
サンプルガスと燃料ガスとを混合して燃焼室で燃焼させ、その際に生じるイオン電流をコレクタで検出するようにした水素炎イオン化検出器と、その水素炎イオン化検出器に燃料ガスとして略１００％の濃度の水素ガスを供給する燃料ガス供給部と、前記燃焼室内の圧力を大気圧より低く制御して前記水素炎イオン化検出器の相対感度を向上させる相対感度制御手段とを備えているガス分析装置。
【請求項２】
相対感度制御手段が、燃焼室内の圧力を約−２５ｋＰａ以下に制御するものである請求項１記載のガス分析装置。
【請求項３】
サンプルガスとして内燃機関から排出される排気ガスを導入するようにしている請求項１又は２記載のガス分析装置。
【請求項４】
車両搭載型である請求項３記載のガス分析装置。
【請求項５】
サンプルガスと燃料ガスとを混合して燃焼室で燃焼させ、その際に生じるイオン電流をコレクタで検出するようにした水素炎イオン化検出器に対し、燃料ガスとして略１００％の濃度の水素ガスを供給するとともに、前記燃焼室内の圧力を大気圧より低く制御するようにした水素炎イオン化検出器の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、排気ガス等のサンプルガスに含まれる炭化水素成分を主として分析するガス分析装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
水素炎イオン化検出器とは、周知の通り、炭化水素を含むサンプルガスに水素含有ガスを混合し、そのガスを電場をかけた燃焼室内で燃焼させることにより、イオン化し、そのイオン化された炭化水素をコレクタ電流として捉え、その電流値を計測することでサンプルガス中の炭化水素濃度を検出できるようにしたものである。具体的には、燃焼炎を挟んで定電圧を印加した一対の電極を対向させておき、その一方の電極であるコレクタ電極に、炭化水素の炭素数に比例した微少イオン電流、すなわちコレクタ電流が流れるように構成している。なお、炭化水素が水素炎中でイオン化されるイオン生成機構については炭素凝集説や化学イオン説などがあり、いまだ十分には解明されていない。
【０００３】
ところで、水素炎イオン化検出器は、同一種類の炭化水素の濃度（炭素原子数）には比例するが、異種の炭化水素については、分子内炭素数が比例しないことがある。具体的には同じ濃度のＣ３Ｈ８とＣＨ４を同一の水素炎イオン化検出器で測定すれば、本来Ｃ３Ｈ８の測定値は、ＣＨ４の測定値の３倍となるはずであるが、実際には、それから若干ずれる。この際を通常、炭化水素の相対感度と称している。
【０００４】
しかして、従来の水素炎イオン化検出器では、特許文献１に示すように、前記相対感度を向上させるべくコレクタ形状等に工夫がなされている。また燃料ガスとしては、例えば水素４０％、ヘリウム６０％に調整した混合ガスを用いている。このような混合ガスを用いるのは、燃料ガスに純粋な水素ガス（水素１００％）を用いると、相対感度が悪くなり測定精度に悪影響を及ぼす傾向があるからである。
【０００５】
しかしながら、長時間水素炎イオン化検出器を動作させる場合や、車両などに搭載する場合は、燃料ガスに前述したような水素４０％、ヘリウム６０％の混合ガスを用いると、必ずボンベを搭載しなければならなくなり、そうするとランニングコストや安全性の面で問題が生じ得、また軽量化やコンパクト化の点でも制限が生じる。
【特許文献１】特開平１０−１２３０９５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そこで本発明は、ランニングコストや安全性の面での問題を解決し、かつ軽量化、コンパクト化が可能で相対感度も担保できる水素炎イオン化検出器を含んだガス分析装置等を提供すべく図ったものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
すなわち本発明に係るガス分析装置は、サンプルガスと燃料ガスとを混合して燃焼室で燃焼させ、その際に生じるイオン電流をコレクタで検出するようにした水素炎イオン化検出器と、その水素炎イオン化検出器に燃料ガスとして略１００％の濃度の水素ガスを供給する燃料ガス供給部と、前記燃焼室内の圧力を大気圧より低く制御して前記水素炎イオン化検出器の相対感度を向上させる相対感度制御手段とを備えていることを特徴とする。
【０００８】
また、本発明に係る水素炎イオン化検出器の制御方法は、サンプルガスと燃料ガスとを混合して燃焼室で燃焼させ、その際に生じるイオン電流をコレクタで検出するようにした水素炎イオン化検出器に対し、燃料ガスとして略１００％の濃度の水素ガスを供給するとともに、前記燃焼室内の圧力を大気圧より低く制御するようにしたことを特徴とする。
【０００９】
このようなものであれば、約１００％の水素ガスを燃料ガスとして用いても、十分な相対感度を担保できる。またこのように相対感度を維持しつつ１００％の水素ガスを用いることができることから、燃料ガス供給部として、ボンベに限定されることなく、水素発生器などのデバイスを用いることができるようになり、ランニングコストや安全性の面での問題を解決し、かつ軽量化、コンパクト化が可能となる。
【００１０】
ＩＳＯ８１８７の規格を満たす相対感度を担保するには、相対感度制御手段が、燃焼室内の圧力を約−２５ｋＰａ以下に制御するものであることが好ましい。
【００１１】
具体的な実施態様としては、サンプルガスとして内燃機関から排出される排気ガスを導入し、炭化水素濃度（量）を測定するようにしているものを挙げることができる。
【００１２】
本発明の効果をより顕著とするには、車両搭載型であるものが望ましい。ボンベのような重いものを搭載し、車両に必要以上の重量がかかると走行負荷が大きくなり、通常の走行時に排出される排気ガスの状態とは異なる排気ガスが排出されて排気ガス分析が正確に行えなくなると言う問題が生じ得るところ、本発明ではこのような問題が一挙に解決されるからである。
【発明の効果】
【００１３】
このように本発明によれば、ランニングコストや安全性の面での問題を解決し、かつ軽量化、コンパクト化が可能で相対感度も担保できる水素炎イオン化検出器を含んだガス分析装置を提供することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。
【００１５】
本実施形態に係る車載型排ガス分析装置１００は、車両のトランク等に積み込んで車両を実走行させながら、サンプルガスである排気ガス中の種々の成分濃度を測定することが可能なもので、図１に示すように、３つの異なる分析計４、５、６と、それら分析計４、５、６に排気ガスを連続的に供給するための流路系と、各分析計４、５、６からの実測データを受信して分析し真の測定値を算出するとともに、流路系に配置されたバルブ等の制御を行う情報処理装置７とを備えている。
【００１６】
各部を詳述する。
【００１７】
まず分析計４、５、６としてこの実施形態では、ＣＯ、ＣＯ２、Ｈ２Ｏの濃度を測定するための赤外線ガス分析計４、ＴＨＣの濃度を測定するための水素炎イオン化検出器５、ＮＯＸの濃度を測定するための化学発光式窒素酸化物分析計６（以下ＣＬＤ式ＮＯＸ計６ともいう）の３つを用いている。
【００１８】
赤外線ガス分析計４は、非分散型のもので、ＣＯ、ＣＯ２、Ｈ２Ｏがそれぞれ吸収する固有波長の赤外線をサンプルガス（排気ガス）に照射して通過させ、その際の各波長の光の強度を光検出器で測定してそれぞれ出力する。そしてその出力値を、光吸収がなかった場合のリファレンス値と比較することにより、各波長の光の吸収度を算出することができる。
【００１９】
水素炎イオン化検出器５は、原理図を図２に示すように、サンプルガス（排気ガス）に燃料ガスを一定の割合で混合して、電場をかけた燃焼室（チムニー）５１で燃焼させ、その際に当該サンプルガスに含まれるＴＨＣがイオン化されて生じる電流をコレクタ５２で捕集し、それを増幅器５３で増幅して出力する方式のもので、その電流値からＴＨＣの量（濃度）を算出することができる。燃焼室（チムニー）５１には、サンプルガス供給部５１０の他に、燃料ガス供給部５１１及び助燃ガス供給部５１２が接続してあり、それらサンプルガス供給部５１０、燃料ガス供給部５１１及び助燃ガス供給部５１２を介して燃焼室（チムニー）５１に、それぞれサンプルガスである排気ガス、燃料ガス及び助燃ガス（空気）が導かれるようにしている。
【００２０】
ＣＬＤ式ＮＯＸ計６は、排気ガスに含まれるすべてのＮＯＸをＮＯコンバータ６１でＮＯに変換し、そのＮＯをオゾン発生器６２から出力されるオゾンと反応槽６３で混ぜ合わせて化学反応させ、そのときの反応で生じる発光の強度を光検出器（図示しない）で検知し出力するものである。なお、この実施形態では、ＮＯコンバータ６１を介して反応槽６３に導く経路６ａの他に、排気ガスを直接反応槽６３に導く経路６ｂを並列させて設けている。そして、バルブ６５によっていずれか一方の経路６ａ、６ｂからのみ、反応槽６３に択一的にガスが導かれるようにして、排気ガスに含まれるＮＯのみの濃度、あるいは差分をとることでＮＯを除くＮＯＸの濃度をも測定できるようにしている。オゾン発生器６２には、大気を除湿することなくそのまま取り込むようにしている。符号６４はオゾン分解器である。
【００２１】
流路系は、排気ガスの大部分を通過させるバイパス経路としての役割を果たす主流路１と、その主流路１から分岐させて並列に設けた複数（２つ）の副流路２、３とを備えており、主流路１上に前記赤外線ガス分析計４、一方の副流路２（第１副流路２）上に前記水素炎イオン化検出器５、他方の副流路３（第２副流路３）上にＣＬＤ式ＮＯＸ計６をそれぞれ設けている。
【００２２】
主流路１は、その上流端をメインポート１１として開口させたもので、最も下流側には吸引ポンプ１９が配設してある。そして、このメインポート１１に車両の排気管を接続し、前記吸引ポンプ１９で吸引することにより、排気ガスのうちの測定に必要な量が当該主流路１に導入されるように構成している。
【００２３】
より具体的に説明すると、この主流路１上には、メインポート１１に引き続いて、排気ガス中に含まれる液状水分を取り除くドレンセパレータ１３、フィルタ１４、流量制御管（キャピラリ）１５ａ、分岐部１６、赤外線ガス分析計４、流量制御管（キャピラリ）１５ｂ、合流部１８、吸引ポンプ１９がこの順で直列配置されている。車両の排気管から前記ドレンセパレータ１３に至るまでは、少なくとも加熱配管を用いず、非加熱配管のみで接続してあるため、各分析計４、５、６にはドレンセパレータ１３で液状水分のみが取り除かれた状態（以下ｓｅｍｉ−Ｄｒｙ状態ともいう）の排気ガスが導入される。赤外線ガス分析計４の下流に接続されている圧力制御弁１７ａは、前記キャピラリ１５ａ、１５ｂ間の流路系の圧力をコントロールするためのものであり、各キャピラリ１５ａ、１５ｂと協働して赤外線ガス分析計４を流れる排気ガスの流量及び圧力を一定に保つ役割を担う、つまり吸引ポンプ１９の脈動影響による圧力変動や排気ガスの脈動影響を除去する役割を担っている。
【００２４】
一方、前記副流路２、３は、前記分岐部１６で主流路１から分岐され、前記合流部１８で主流路１に再度接続されるように構成してある。
【００２５】
第１副流路２上には、流量制御管（キャピラリ）２１、水素炎イオン化検出器５がこの順で設けてある。流量制御管２１は、この副流路２を流れるガスの量を、ＴＨＣの濃度測定に必要な流量（主流路１を流れる排気ガス流量に比べればわずかである）に制限するものである。
【００２６】
第２副流路３上には、流量制御管（キャピラリ）３１、ＣＬＤ式ＮＯＸ計６が上流からこの順で設けてある。流量制御管（キャピラリ）３１は、この副流路３を流れるガスの量を、ＮＯＸの濃度測定に必要な流量（主流路１を流れる排気ガス流量に比べればわずかである）に制限するものである。
【００２７】
合流部１８に接続されている圧力制御弁１７ｂは、前記各副流路２、３の圧力をコントロールするためのものであり、各副流路２、３の上流部に設けられた前記キャピラリ２１、２２と協働して水素炎イオン化検出器５及びＣＬＤ式ＮＯＸ計６を流れる排気ガスの流量及び圧力を一定に保つ役割を担う。
【００２８】
情報処理装置７は、図３に示すように、ＣＰＵ７０１の他に、メモリ７０２、入出力チャネル７０３、キーボード等の入力手段７０４、ディスプレイ７０５等を備えた汎用乃至専用のものであり、入出力チャネル７０３には、Ａ／Ｄコンバータ７０６、Ｄ／Ａコンバータ７０７、増幅器（図示しない）などのアナログ−デジタル変換回路が接続されている。そして、ＣＰＵ７１及びその周辺機器が、前記メモリ７２の所定領域に格納されたプログラムにしたがって協働動作することにより、この情報処理装置７は、図４に示すように、前記流路系等に設けられたバルブの開閉制御やヒータの温度制御を行う制御部７１と、各分析計４、５、６から出力される検出データを受信し、解析して各成分の濃度等を算出する分析部７２としての機能を少なくとも発揮する。なお、この情報処理装置７は、物理的に一体である必要はなく、有線又は無線により複数の機器に分割されていても構わない。
【００２９】
しかして、この実施形態では、水素炎イオン化検出器５に対し、燃料ガスとして略１００％の濃度の水素ガスを、図示しない燃料ガス源に接続した燃料ガス供給部５１１から供給するとともに、前記燃焼室５１内の圧力を大気圧より低く、より具体的には−４０ｋＰａとなるように、相対感度制御手段によって制御している。この相対感度制御手段は、合流部１８に接続されている圧力制御弁１７ｂが少なくともその役割を担い、特にこの実施形態では、圧力制御弁１７ｂがこれと並列接続された前記吸引ポンプ１９と協働して、前記相対感度制御手段としての機能を発揮するようにしている。
【００３０】
このようなものによれば、１００％の水素ガスを燃料ガスとして用いても、ＩＳＯ８１８７の規格を満たす相対感度を担保できる。またこのように相対感度を維持しつつ１００％の水素ガスを用いることができることから、燃料ガス源として、ボンベに限定されることなく、水素発生器などの比較的軽量コンパクトなデバイスを用いることができるようになり、ランニングコストや安全性の面での問題を解決し、かつ軽量化、コンパクト化が可能となる。
【００３１】
具体的な効果を図５、図６に示す。図４においてａｔｍｏｓ−ＦＩＤが、従来の常圧式の水素炎イオン化検出器を示しており、その検出器において、燃料ガスとして水素４０％、ヘリウム６０％の混合ガスを用いた場合の試験結果（ａｔｍｏｓ−ＦＩＤ  Ｈ２４０％と同図では表示）と、水素１００％ガスを用いた場合の試験結果（ａｔｍｏｓ−ＦＩＤ  Ｈ２１００％と同図では表示）をそれぞれグラフにしている。また、本実施形態の水素炎イオン化検出器５をｖａｃｕｕｍ−ＦＩＤとして示しており、この検出器５において、燃料ガスとして水素１００％ガスを用いた場合の試験結果（ｖａｃｕｕｍ−ＦＩＤ  Ｈ２１００％と同図では表示）をグラフにしている。
【００３２】
同図から明らかなように、従来の常圧式の水素炎イオン化検出器において、Ｈ２１００％ガスを用いた場合には、特にＣＨ４、Ｃ３Ｈ６の相対感度が悪くなっており、この相対感度は、ＩＳＯ８１８７の規格であるＣＨ４の相対感度１．０以上１．１５以下、Ｃ３Ｈ６の相対感度０．９以上１．１以下の規格値を満たしていない。
【００３３】
これに対し、本実施形態の減圧式の水素炎イオン化検出器５で、水素１００％ガスを用いたときの試験結果は、従来型の水素炎イオン化検出器で燃料ガスに水素４０％、ヘリウム６０％の混合ガスを用いた場合の試験結果とほぼ同等で、規格値も満足している。
【００３４】
また、図６では、燃料ガスとして水素１００％ガスを用い、ＣＨ４を検出する場合の、燃焼室（チムニー）５１内の圧力と相対感度との関係をグラフ化している。燃焼室（チムニー）５１内の圧力を約−２５ｋＰａ以下に保てば、規格（図中Ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎと表示）を満たすことがわかる。
【００３５】
なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。相対感度制御手段は燃焼室内の圧力を制御できるものであればよく、例えば、前記水素炎イオン化検出器と前記吸引ポンプとの間に圧力制御弁を直列に介在させるようにし、圧力制御弁と吸引ポンプ１９とが協働して、前記相対感度制御手段としての機能を発揮するようにしてもよい。
【００３６】
また、多成分ガス分析装置のみならず炭化水素のみを測定するガス分析計に用いることも可能であるし、車両搭載型のみならず、実験室で用いるようなスタンドアローン型のもの、環境測定用のもの等にも適用して前記実施形態と同様の作用効果を奏し得る。
【００３７】
その他、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明によって、ランニングコストや安全性の面での問題を解決し、かつ軽量化、コンパクト化が可能で相対感度も担保できる水素炎イオン化検出器を含んだガス分析装置を提供することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の一実施形態に係るガス分析装置の全体流体回路図。
【図２】同実施形態における水素炎イオン化検出器の構成原理図。
【図３】同実施形態における情報処理装置の回路構成図。
【図４】同実施形態における情報処理装置の機能ブロック図。
【図５】同実施形態のガス分析装置による効果を、従来のものと比較して示す試験結果グラフ。
【図６】同実施形態の水素炎イオン化検出器における燃焼室の圧力と相対感度との関係を示す試験結果グラフ。
【符号の説明】
【００４０】
１００・・・ガス分析装置
５・・・水素炎イオン化分析計
５１・・・燃焼室
５１１・・・燃料ガス供給部
５２・・・コレクタ
１７ｂ・・・相対感度制御手段（圧力制御弁）
【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】
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【図６】
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