(57)【要約】      （修正有）【課題】分析部に流入する測定対象成分の分子数を調整することにより、導入路の汚れ低減、回路基板の小型化、及び測定精度の向上を図る。【解決手段】流体分析装置１００は、流体に含まれる測定対象成分の濃度を検出するための検出器２と、検出器２に接続されて、流体の検出器２に導入する導入路３と、測定対象成分の濃度に応じて、検出器２に導入される流量を切り替える流量切替機構４とを備える。【選択図】図１
2018096973.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体に含まれる測定対象成分の濃度を測定するための検出器と、
前記検出器に接続されて、前記流体を検出器に導入する導入路と、
前記測定対象成分の濃度に応じて、前記検出器に導入される流量を切り替える流量切替機構とを備える流体分析装置。
【請求項２】
前記導入路は、第１導入路及び第２導入路を有しており、
前記流量切替機構は、
前記第１導入路に設けられ、前記流体の流量を第１流量に調整する第１流量調整部と、
前記第２導入路に設けられ、前記流体の流量を前記第１流量よりも大流量の第２流量に調整する第２流量調整部と、
前記検出器に接続される流路を前記第１導入路及び前記第２導入路の間で切り替える流路切替部と、
前記検出器により得られた濃度と所定の閾値とを比較して、前記流路切替部を制御する切替制御部とを備える、請求項１記載の流体分析装置。
【請求項３】
前記検出器により得られた検出信号を増幅する増幅器をさらに備える、請求項１又は２記載の流体分析装置。
【請求項４】
前記増幅器により増幅された出力信号を、前記流体の流量に対応した濃度換算により演算して前記濃度を算出する演算部をさらに備える、請求項３記載の流体分析装置。
【請求項５】
前記第２流路側の検出応答を、前記第１流路側の検出応答よりも遅らせている、請求項１乃至４の何れか一項に記載の流体分析装置。
【請求項６】
前記演算部は、前記出力信号を移動平均して濃度換算するものであり、前記第２流量において得られた出力信号の平均化時間よりも前記第１流量において得られた出力信号の平均化時間を短くしている、請求項４又は５記載の流体分析装置。
【請求項７】
前記流体は、内燃機関から排出された排ガスである、請求項１乃至６の何れか一項に記載の流体分析装置。
【請求項８】
車両に搭載されて前記排ガスを分析するものである、請求項７記載の流体分析装置。
【請求項９】
流体に含まれる測定対象成分の濃度を測定するための検出器と、前記検出器に接続されて、前記流体を検出器に導入する導入路とを備える流体分析装置を用いた流体分析方法であって、
前記測定対象成分の濃度に応じて、前記検出器に導入される流量を切り替えることを特徴とする流体分析方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば内燃機関から排出される排ガスに含まれる成分濃度を分析する流体分析装置及び流体分析方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば内燃機関から排出される排ガスに含まれる炭化水素（ＨＣ）や窒素酸化物（ＮＯＸ）の濃度を分析するものとしてそれぞれ、水素炎イオン化分析法（ＦＩＤ）及び化学発光分析法（ＣＬＤ）を用いたものがある。
【０００３】
ＦＩＤやＣＬＤ等のように要求される測定対象成分の濃度の測定レンジが広い場合、その対応としては、検出器から出力されるアナログ信号を増幅する増幅器において、その増幅率を切り替えることが行われている。例えば、測定対象成分が高濃度の場合には小さい増幅率を用い、低濃度の場合には大きい増幅率を用いている。また、高濃度の測定対象成分を測定する場合には、検出器から出力されるアナログ信号と濃度との直線性が失われる傾向にあるため、高次の検量線係数を持たせる必要がある。
【０００４】
しかしながら、高濃度の測定対象成分を測定する場合には、上記の対応を採ることが考えられるが、以下のような問題がある。
つまり、多くの測定対象成分（分子）が検出器に流れ込むことになり、検出器への導入路の汚れが発生してバッググラウンドが上がってしまうことがある。また、増幅器に複数の増幅率を持たせる必要があり、回路基板の小型化の弊害の一つとなってしまう。さらに、測定対象成分の濃度が高くなるほど検出器から出力されるアナログ信号と濃度との直線性が失われて、高次の検量線係数による直線性の確保が必要となってしまう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−６４３３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そこで本発明は、上述した課題を解決すべくなされたものであり、検出器に流入する測定対象成分の分子数を調整することにより、検出器への導入路の汚れ低減、回路基板の小型化及び測定精度の向上を図ることをその主たる課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
すなわち本発明に係る流体分析装置は、流体に含まれる測定対象成分の濃度を検出するための検出器と、前記検出器に接続されて、前記流体を検出器に導入する導入路と、前記測定対象成分の濃度に応じて、前記検出器に導入される流量を切り替える流量切替機構とを備えることを特徴とする。
【０００８】
このようなものであれば、測定対象成分の濃度に応じて、検出器に導入される流量を切り替えているので、以下の効果を奏することができる。
（１）検出器に流入する流体に含まれる測定対象成分の分子数が小さくなるように流量を調整することで、高濃度の測定対象成分による導入路の汚染を防止することができる。導入路の汚染を防止することでバックグラウンドの上昇を抑えることもできる。
（２）検出器に流入する測定対象成分の分子数が調整されることになり、検出器により得られる検出信号を所定の範囲に収めることができる。これにより、当該検出信号を増幅する増幅器の増幅率の範囲を小さく（望ましくは１つに）することができ、回路基板の小型化することができる。
（３）検出器により得られる検出信号を所定の範囲に収めることができるので、直線性を確保した領域で濃度演算することができ、低濃度域から高濃度域に亘って高精度に測定することができる。また、濃度測定範囲を拡大することもできる。
（４）その他、増幅率を切り替えるための切り替え回路を不要にすることができるので、増幅率の切り替え時において切り替え回路に起因するノイズを考慮する必要がなくなる。また、流体分析装置を車両搭載型の排ガス分析装置に適用した場合、前記切り替え回路を有するものでは走行時の振動により切り替え回路にノイズが生じてしまうが、本発明では前記切り替え回路が不要であるので、走行時の振動により切り替え回路に生じるノイズを考慮する必要がなくなる。
【０００９】
導入路及び流量切替機構の具体的な実施の態様としては、前記導入路は、第１導入路及び第２導入路を有しており、前記流量切替機構は、前記第１導入路に設けられ、前記流体の流量を第１流量に調整する第１流量調整部と、前記第２導入路に設けられ、前記流体の流量を前記第１流量よりも大流量の第２流量に調整する第２流量調整部と、前記検出器に接続される流路を前記第１導入路及び前記第２導入路の間で切り替える流路切替部と、前記検出器により得られた濃度と所定の閾値とを比較して、前記流路切替部を制御する切替制御部とを備えることが望ましい。
この構成であれば、流路を切り替えるだけで第１流量と第２流量とに切り替えることができる。また、測定対象成分が高濃度の場合には第１流量とし、低濃度の場合には第２流量とすることで、検出器に流入する測定対象成分の分子数の変化を可能な限り狭い範囲に収めることができる。
【００１０】
なお、その他の流量切替機構としては、導入路にマスフローコントローラ等のように連続的に流量を切り替える機器を設けることが考えられる。
この構成であれば、上記の流路を切り替える場合に比べて、検出器に流入する測定対象成分の分子数の変化をより一層狭い範囲に収めることができる。なお、マスフローコントローラの制御応答速度やその後の濃度換算の簡単化する観点からすると、上記のように流路を切り替える構成の方が望ましい。
【００１１】
回路基板を小型化するためには、流体分析装置は、前記検出器により得られた検出信号を固定された一定の増幅率で増幅する増幅器をさらに備えることが望ましい。
【００１２】
流体分析装置は、前記増幅器により増幅された出力信号を、前記流体の流量に対応した濃度換算により演算して前記濃度を算出する演算部をさらに備えることが望ましい。具体的には、演算部は、流体の流量それぞれに対応した濃度換算式を持っており、流量切替機構から取得した流量データに基づいて濃度換算式を選択して、当該選択した濃度換算式に用いて測定対象成分の濃度を算出することが考えられる。
【００１３】
演算部による濃度演算に用いる出力信号に含まれるノイズ成分を低減するためには、前記出力信号を移動平均することが考えられる。ここで、小流量である第１流量時の方が、置換時間（信号の立ち上がり時間）が長くなってしまう。そうすると、第１流量時の出力信号と第２流量時の出力信号とを同じ平均化時間で移動平均した場合には、第１流量時の応答時間が長くなってしまうという問題が生じる。
この問題を好適に解決して、両者の応答時間を合わせるためには、前記第２流路側の検出応答を、前記第１流路側の検出応答よりも遅らせていることが考えられる。特に、前記演算部は、前記第２流量において得られた出力信号の平均化時間よりも前記第１流量において得られた出力信号の平均化時間を短くしていることが望ましい。
【００１４】
また、本発明に係る流体分析方法は、流体に含まれる測定対象成分の濃度を検出するための検出器と、前記検出器に接続されて、前記流体を検出器に導入する導入路とを備える流体分析装置を用いた流体分析方法であって、前記検出器により得られた濃度に応じて、前記検出器に導入される流量を切り替えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
このように構成した本発明によれば、検出器により得られた濃度に応じて、検出器に導入される流量を切り替えているので、検出器に流入する測定対象成分の分子数を調整することにより、検出器への導入路の汚れ低減、回路基板の小型化、及び測定精度の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本実施形態に係る流体分析装置の構成を示す模式図である。
【図２】同実施形態の流体分析装置の動作フローチャートを示す図である。
【図３】変形実施形態に係る流体分析装置の構成を示す模式図である。
【図４】演算部による信号処理の変形例を示すグラフである。
【図５】本発明の流体分析装置を車両搭載型とした場合の模式図である。
【図６】車両搭載型の流体分析装置の構成を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下に本発明に係る流体分析装置の一実施形態について図面を参照して説明する。
【００１８】
＜装置構成＞
本実施形態の流体分析装置１００は、例えば内燃機関Ｅから排出される排ガスに含まれる成分濃度を測定する排ガス分析装置である。なお、本実施形態の流体分析装置１００は、採取した排ガスを希釈せずに、そのまま濃度測定する直接サンプリング方式のものである。
【００１９】
具体的にこの流体分析装置１００は、図１に示すように、排ガスに含まれる測定対象成分の濃度を測定するための検出器２と、当該検出器２に接続されて、排ガスを検出器２に導入する導入路３と、測定対象成分の濃度に応じて、検出器２に導入される流量を切り替える流量切替機構４とを備えている。
【００２０】
検出器２は、排ガスに含まれる測定対象成分が炭化水素（ＨＣ）の場合には、全炭化水素（ＴＨＣ）の濃度を測定する水素炎イオン化分析法（ＦＩＤ）を用いたＦＩＤ検出器を用いることができ、窒素酸化物（ＮＯＸ（＝ＮＯ＋ＮＯ２））の場合には、窒素化合物の濃度を測定する化学発光分析法（ＣＬＤ）を用いたＣＬＤ検出器を用いることができる。その他、検出器２は、測定対象成分に応じて種々の分析法を用いた検出器とすることができ、例えば、フーリエ変換赤外分光計（ＦＴＩＲ)と、非分散型赤外線分析計（ＮＤＩＲ）などを用いることができる。また、ＦＴＩＲやＮＤＩＲの光源には、量子カスケードレーザ（ＱＣＬ）を用いることができる。
【００２１】
この検出器２により得られた検出信号（電流信号又は電圧信号（アナログ信号））は、増幅器５に出力される。この増幅器５は、オペアンプを用いて構成されたものであり、前記検出信号を固定された一定の増幅率で増幅するものである。
【００２２】
そして、増幅器５により増幅された出力信号（アナログ信号）は、Ａ／Ｄ変換器６に出力されて、Ａ／Ｄ変換器６によりデジタル信号に変換される。このデジタル信号は、演算部７に出力されて、演算部７により濃度に換算される。
【００２３】
導入路３は、一端が排ガスが流れる排気管（テールパイプ）Ｅ１に設けられており、他端が検出器２に接続されたものである。なお、導入路３の一端が排気管Ｅ１に設けられるとは、導入路３の一端が排気管Ｅ１の排出口近傍又はその内部に設けられて排ガスを採取可能な位置に設けることである。
【００２４】
具体的に導入路３は、一端に設けられ、排ガスを採取するサンプリングポート３１と、当該サンプリングポート３１の下流に設けられた吸引ポンプ３２とを備えている。その他、導入路３には、防塵フィルタ３３、３４や圧力調整弁３５等が設けられている。なお、防塵フィルタ３３は、図１ではサンプリングポート３１に設けられた場合を示しているがこれに限られない。
【００２５】
また、導入路３は、防塵フィルタ３４の下流側から分岐した第１導入路３ａ及び第２導入路３ｂを有している。この第１導入路３ａ及び第２導入路３ｂは下流において合流しており、その合流点の下流で検出器２に接続されている。
【００２６】
流量切替機構４は、検出器２に導入される排ガス流量を段階的（本実施形態では２段階）に切り替えるものである。
【００２７】
具体的に流量切替機構４は、第１導入路３ａに設けられ、排ガスの流量を第１流量Ｑ１に調整する第１流量調整部４１と、第２導入路３ｂに設けられ、排ガスの流量を第１流量Ｑ１よりも大流量の第２流量Ｑ２（＞Ｑ１）に調整する第２流量調整部４２と、検出器２に接続される流路を第１導入路３ａ及び第２導入路３ｂの間で切り替える流路切替部４３と、排ガスに含まれる測定対象成分の濃度と所定の閾値とを比較して、流路切替部４３を制御する切替制御部４４とを備えている。ここで、切替制御部４４により所定の閾値と比較される測定対象成分の濃度には、濃度値だけでなく、検出器２の検出信号（電流信号又は電圧信号（アナログ信号））や、増幅部５により増幅された信号、Ａ／Ｄ変換器６からのデジタル信号など、濃度に関連する値であっても良い。
【００２８】
第１流量調整部４１及び第２流量調整部４２は、例えばキャピラリーチューブやオリフィス等の定流量器を用いて構成されている。本実施形態では、例えば第１流量調整部４１は、１０ｃｃ／ｍｉｎの一定流量に調整するものであり、第２流量調整部４２は、１００ｃｃ／ｍｉｎの一定流量に調整するものである。
【００２９】
流路切替部４３は、第１導入路３ａにおける第１流量調整部４１の下流に設けられた第１開閉弁４３１と、第２導入路３ｂにおける第２流量調整部４２の下流に設けられた第２開閉弁４３２とを備えている。これら第１開閉弁４３１及び第２開閉弁４３２は電磁弁であり、切替制御部４４からの制御信号により開閉制御される。なお、流路切替部４３は、第１導入路３ａ及び第２導入路３ｂを三方電磁弁を介して合流させて、当該三方電磁弁を制御して流路を切り替えるものであっても良い。
【００３０】
切替制御部４４は、演算部７により得られた測定対象成分の濃度と所定の閾値例えば１０００ｐｐｍ）とを比較して、濃度が閾値以上の場合には、第１開閉弁４３１を開、第２開閉弁４３２を閉として、第１導入路３ａから排ガスを検出器２に導入する。一方、切替制御部４４は、濃度が閾値未満の場合には、第１開閉弁４３１を閉、第２開閉弁４３２を開として、第２導入路３ｂから排ガスを検出器２に導入する。なお、所定の閾値は、測定対象成分の濃度と、検出器２に導入される流量との関係（すなわち、測定対象成分の分子量）に基づいて、任意に決定することができる。ここで、例えば前記所定の閾値を低濃度側にすることで、低濃度側の分解能を高くし精度良く測定することができる。なお、切替制御部４４は、検出器２から出力される電圧信号又は電流信号、或いは増幅部５から出力される出力信号と、それに対応する閾値とを比較して、第１開閉弁４３１及び第２開閉弁４３２の開閉を制御して、第１導入路３ａ及び第２導入路３ｂを切り替えるようにしても良い。
【００３１】
また、本実施形態では、第１導入路３ａから排ガスを検出器２に導入した際に検出器２から得られる検出信号、及び第２導入路３ｂから排ガスを検出器２に導入した際に検出器２から得られる検出信号を増幅部５により増幅した際の電圧信号が０〜１Ｖとなるように設定されている。つまり、Ａ／Ｄ変換部６に入力されるアナログ信号（増幅部５からの出力信号）が、０〜１Ｖとなるように設定されている。
【００３２】
さらに、本実施形態では、演算部７は、Ａ／Ｄ変換部６からのデジタル信号を、排ガスの流量に対応した濃度換算により演算して濃度を算出する。具体的に演算部７は、第１流量に対応した第１濃度換算式及び第２流量に対応した第２濃度換算式を持っており、切替制御部４４等から取得した流量データに基づいて濃度換算式を選択して、選択した濃度換算式に用いて測定対象成分の濃度を算出する。
【００３３】
次に本実施形態の流体分析装置１００の測定開始からの動作を図２を参照して説明する。
【００３４】
排ガスの分析開始時に、切替制御部４４は第１開閉弁４３１を開、第２開閉弁４３２を閉として、第１導入路３ａから排ガス（第１流量Ｑ１）を検出器２に導入する（ステップＳ１）。この状態で、演算部７により得られた濃度が所定の閾値未満か否か判断する（ステップＳ２）。そして、濃度が閾値未満であれば、第１開閉弁４３１を閉、第２開閉弁４３２を開として、第２導入路３ｂ（第２流量Ｑ２）に切り替える（ステップＳ３）。一方、濃度が閾値以上であれば、第１開閉弁４３１を開、第２開閉弁４３２を閉のまま、第１導入路３ａからの導入を維持する（ステップＳ４）。なお、最初に第２導入路３ｂから排ガスを検出器２に導入して、上記と同様の手順で流路を切り替えても良い。
【００３５】
そして、いずれの場合であっても、検出器２により得られた検出信号を増幅部５で一定の増幅率で増幅した後に（ステップＳ５）、Ａ／Ｄ変換部６でデジタル変換する（ステップＳ６）。そして、演算部７は、検出器２に流入する排ガスの流量に対応した濃度換算式を用いてデジタル信号から濃度を算出する（ステップＳ７）。
【００３６】
なお、分析開始後に測定対象成分が変動して閾値との大小関係が変わった場合には、閾値との大小関係に応じて第１開閉弁４３１及び第２開閉弁４３２の開閉を制御して、検出器２に流入する排ガスの流量を切り替えるとともに、その流量に対応した濃度換算式を用いて濃度を算出する。
【００３７】
＜本実施形態の効果＞
このように構成された本実施形態に係る流体分析装置１００によれば、検出器２により得られた濃度又は濃度に関連する濃度関連値に応じて、検出器２に導入される流量を切り替えているので、以下の効果を奏することができる。
（１）検出器２に流入する排ガスに含まれる測定対象成分の分子数が小さくなるように流量を調整することで、高濃度の測定対象成分による導入路３の汚染を防止することができる。すなわち、高濃度側では、検出器２に流入する排ガスの流量が少ないので、測定対象成分の分子量が抑えられ流路の汚れを防止できる。低濃度側では、検出器２に流入する排ガスの流量は多くなるが、高濃度ガスが流れないので、測定対象成分の分子量が抑えられ流路の汚れを防止できる。これにより、バックグラウンドの上昇を抑えることもできる。
（２）検出器２に流入する測定対象成分の分子数が調整されることになり、検出器２により得られる検出信号を所定の範囲に収めることができるので、当該検出信号を増幅する増幅部５の増幅率を１つにすることができ、回路基板の小型化することができる。
（３）検出器２により得られる検出信号を所定の範囲に収めることができるので、直線性を確保した領域で濃度演算することができ、低濃度域から高濃度域に亘って高精度に測定することができる。また、濃度測定範囲を拡大することもできる。
（４）増幅率を切り替えるための切り替え回路を不要にすることができるので、増幅率の切り替え時において切り替え回路に起因するノイズを考慮する必要がなくなる。
【００３８】
＜その他の実施形態＞
なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。
【００３９】
例えば、前記実施形態では、排気管Ｅ１から排出される排ガスをサンプリングして分析するものであったが、図３に示すように排気管Ｅ１における触媒Ｅ２の上流側及び／又は下流側に導入路３に一端を接続して、触媒Ｅ２通過前の排ガス又は触媒Ｅ２通過後の排ガスの分析を行うものであっても良い。
【００４０】
前記実施形態の導入路は、第１導入路及び第２導入路を有するものであったが、３つ以上の導入路を祖なるものであっても良い。この場合、各導入路に設けられる流量調整部により調整される流量が互いに異なり、流路切替機構は、３つ以上の導入路を切り替えることになる。
【００４１】
また、演算部７は、濃度演算に用いるデジタル信号に含まれるノイズ成分を低減すべく、デジタル信号を移動平均しても良い。この場合、演算部７は、第２流量において得られた出力信号の平均化時間よりも第１流量において得られた出力信号の平均化時間を短くしていることが望ましい。これにより、第１流量における置換時間（信号の立ち上がり時間）と第２流量における置換時間（信号の立ち上がり時間）との違いを、平均化時間を異ならせることにより解消して、両者の応答時間を合わせることができる。
【００４２】
さらに、第１流量の置換時間と第２流量の置換時間とを物理構成により合わせるために、第２導入路３ｂにバッファタンクなどによりデッドボリュームを形成しても良い。第２流路を第１流路よりも長くしても良い。また、第２流量の置換時間に所定の時間を足し合わせて、第１流量の置換時間と合わせても良い。
【００４３】
その上、図４に示すように、第１導入路３ａ及び第２導入路３ｂの切替時に生じる検出信号の過渡応答を、切替前後の安定時の濃度を用いて例えば直線的に補間するようにしても良い。
【００４４】
また、流量調整部としてマスフローコントローラを用いることもできる。この場合、導入路は１つでも良い。
【００４５】
さらに、本発明の流体分析装置１００を、図５に示すように、例えば実路を走行する車両Ｖに搭載される車両搭載型の排ガス分析装置としてもよい。この場合、流体分析装置１００に導入される排ガスは、排気管（テールパイプ）Ｅ１に装着される取付管（テールパイプアタッチメント）１０に設けられたサンプリング管１１により採取される。なお、サンプリング管１１は、導入路３の一端に接続されている。なお、図６に示すように分析計２の下流側に接続された下流側流路１２に吸引ポンプ３２が設けられており、分析計２は減圧下で使用される。なお、車両搭載型の排ガス分析装置１００に用いられる分析計２としては、水素炎イオン化分析計（ＦＩＤ）、化学発光分析計（ＣＬＤ）、フーリエ変換赤外分光計（ＦＴＩＲ)又は非分散型赤外線分析計（ＮＤＩＲ）等を用いることができる。また、ＦＴＩＲやＮＤＩＲの光源には、量子カスケードレーザ（ＱＣＬ）を用いることができる。
このように流体分析装置１００を車両搭載型の排ガス分析装置に適用した場合、増幅率を切り替えるための切り替え回路を有するものでは走行時の振動により切り替え回路にノイズが生じてしまうが、本発明では前記切り替え回路が不要であるので、走行時の振動により切り替え回路に生じるノイズを考慮する必要がなくなる。
【００４６】
前記実施形態の流体分析装置は、排ガスなどのガスに含まれる測定対象成分を分析するガス分析装置であったが、液体に含まれる測定対象成分を分析する液体分析装置であっても良い。
【００４７】
その他、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。
【符号の説明】
【００４８】
１００・・・流体分析装置（ガス分析装置）
２    ・・・検出器
３    ・・・導入路
３ａ  ・・・第１導入路
３ｂ  ・・・第２導入路
４    ・・・流量切替機構
４１  ・・・第１流量調整部
４２  ・・・第２流量調整部
４３  ・・・流路切替部
４４  ・・・切替制御部
５    ・・・増幅部
６    ・・・Ａ／Ｄ変換部
７    ・・・演算部
【図１】
2018096973.tif 000003
【図２】
2018096973.tif 000004
【図３】
2018096973.tif 000005
【図４】
2018096973.tif 000006
【図５】
2018096973.tif 000007
【図６】
2018096973.tif 000008