(57)【要約】エンジンの排気中に存在するエンジン排ガス粒子濃度などの、流体試料中の粒子濃度の試験を行うための粒子濃度分析システム。粒子濃度分析システムは、飽和室と、凝縮器と、レーザ光学粒子計数器とを有する凝縮粒子計数器を含む。分析システムは、作動流体タンクと、作動流体ポンプと、試料採取プローブとをさらに含む。システムは、装置が誤用から保護されるので、装置についての高度な訓練を受けることなしに、使用者が車両排ガスの試験を行うためのロバストな分析システムを提供する。位置感応センサは、システムを転倒させた場合又は誤った結果をもたらす位置にシステムが載置された場合にシステムが損傷を受けないことを確実にするために使用される。追加の特徴は、差圧センサ、密封され且つ交換可能な不正開封できない作動流体タンク、溶媒回収システム、不正防止装置、及び流体純度センサを含む。
2021527198.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料流体中の粒子濃度を計数するように適合された粒子濃度分析システムであって、
作動流体を収容するように適合された作動流体タンクと、
分析すべき前記試料流体を受け入れるように構成された試料流体入口と、
前記作動流体で周囲空気を飽和させるように構成された流体飽和室と、前記流体飽和室からの、前記作動流体で飽和した周囲空気を前記試料流体に凝縮させるように構成された凝縮器と、前記試料流体中に存在する試料粒子を計数するように構成された光学粒子計数器とを備える凝縮粒子計数器と、
前記作動流体タンクから前記流体飽和室に前記作動流体を移すように適合された作動流体ポンプと、
前記試料流体中に存在する試料粒子を計数するために前記光学粒子計数器に応答する電子制御ユニットと
を備える、粒子濃度分析システム。
【請求項２】
前記作動流体タンク、前記作動流体ポンプ、前記試料流体入口、前記凝縮粒子計数器、及び前記電子制御ユニットが、
組立体として相互に接続され、  
前記試料流体中の粒子を計数するように適合される、請求項１に記載の粒子濃度分析システム。
【請求項３】
前記分析システムが適切に位置決めされていないときに前記分析システムを自動的に停止するように構成された位置感応スイッチをさらに備え、前記位置依存性スイッチが３軸加速度計を備える、請求項１に記載の粒子濃度分析システム。
【請求項４】
車両排気管への挿入のための試料採取プローブと、前記試料採取プローブに一端部が結合され且つ前記凝縮器の上流側の前記試料流体入口に反対側の端部が取り外し可能に結合された試料採取ラインとをさらに備え、
前記試料採取ラインが、前記試料流体入口及び前記試料採取プローブと流体連通する、請求項１に記載の粒子濃度分析システム。
【請求項５】
前記凝縮粒子計数器の下流側の排気ポンプであって、前記凝縮粒子計数器から流体を引き出すように構成された前記排気ポンプをさらに備え、前記排気ポンプが前記電子制御ユニットと電子通信する、請求項１に記載の粒子濃度分析システム。
【請求項６】
前記凝縮粒子計数器の上流側の一体型エジェクタ式希釈器と、前記エジェクタ式希釈器の上流側の希釈ポンプとをさらに備え、
前記エジェクタ式希釈器が、前記凝縮粒子計数器への前記試料流体の流入前に流体試料中の前記濃度の試料粒子を所定の希釈比で希釈するように構成され、
前記希釈エジェクタ式希釈器及び前記希釈ポンプが前記電子制御ユニットと電子通信する、請求項５に記載の粒子濃度分析システム。
【請求項７】
前記分析システムの流路に沿って配置された差圧センサであって、前記分析システム内の圧力差を特定するように構成された前記差圧センサをさらに備える、請求項６に記載の粒子濃度分析システム。
【請求項８】
前記差圧センサが、前記システム内に配置された第１の圧力測定ポートにおける第１の圧力と、前記システム内に配置された第２の圧力測定ポートにおける第２の圧力とを測定するように構成される、請求項７に記載の粒子濃度分析システム。
【請求項９】
前記電子制御ユニットがさらに、
前記希釈ポンプを選択的に停止して、前記希釈ポンプが停止されている間に前記第１の圧力を測定するように前記差圧センサに指示することによる前記第１の圧力の測定と、
前記排気ポンプを選択的に停止して、前記排気ポンプが停止されている間に前記第２の圧力を測定するように前記差圧センサに指示することによる前記第２の圧力の測定のいずれかを行うために、
前記排気ポンプ及び前記希釈ポンプに応答し、
前記電子制御ユニットが、前記第１の圧力と前記第２の圧力との間の圧力差を算出するように適合される、請求項８に記載の粒子濃度分析システム。
【請求項１０】
前記作動流体タンクが、自己完結型であり、且つ前記凝縮粒子計数器から取り外し可能であり、
前記作動流体タンクが密封され、それにより、前記作動流体タンクを移動させたときでも、ひっくり返したときでも、又は回転させたときでも、前記作動流体タンクがこぼさない又は漏らさない、請求項１に記載の粒子濃度分析システム。
【請求項１１】
前記作動流体タンクが、前記作動流体の汚染又は劣化を防止するための吸水材をさらに備える、請求項１０に記載の粒子濃度分析システム。
【請求項１２】
前記吸水材が、前記作動流体タンク内に配置された分子篩であって、前記作動流体から汚染物質を除去するように構成された前記分子篩である、請求項１１に記載の粒子濃度分析システム。
【請求項１３】
前記吸水材が、前記作動流体から水汚染を除去するように適合された吸湿材である、請求項１１に記載の粒子濃度分析システム。
【請求項１４】
前記分析システムから半揮発性粒子を除去するように構成された蒸発器管をさらに備える、請求項１に記載の粒子濃度分析システム。
【請求項１５】
前記作動流体タンクの下流側に配置されたガスセンサであって、前記作動流体タンクから前記流体飽和室に移された前記作動流体の純度を測定するように構成された前記ガスセンサをさらに備える、請求項１に記載の粒子濃度分析システム。
【請求項１６】
前記光学粒子計数器を通過した後に前記凝縮粒子計数器から排気された前記試料流体の排気流から作業流体を回収するように構成された溶媒回収システムをさらに備え、
前記溶媒回収システムが、前記粒子濃度分析システム内で再使用されるように、回収した作動流体を前記作動流体タンクに戻す、請求項１に記載の粒子濃度分析システム。
【請求項１７】
前記溶媒回収システムが冷却装置を備える、請求項１６に記載の粒子濃度分析システム。
【請求項１８】
不正防止装置をさらに備え、
前記不正防止装置が、前記試料流体中に存在する二酸化炭素の濃度を測定するように適合された二酸化炭素濃度センサを備え、
前記不正防止装置が、前記測定した二酸化炭素濃度と予想した二酸化炭素濃度とを比較して、前記試料採取プローブが適切に挿入されていることを前記比較した濃度に基づいて検証するように適合される、請求項４に記載の粒子濃度分析システム。
【請求項１９】
前記作動流体ポンプが、前記作動流体タンクに作動流体を自動的に充填するように構成された蠕動ポンプである、請求項１に記載の粒子濃度分析システム。
【請求項２０】
前記試料流体入口の下流側のガス濃度センサであって、前記粒子濃度分析システム内のガス濃度を測定するように適合された前記ガス濃度センサをさらに備える、請求項１に記載の粒子濃度分析システム。
【請求項２１】
前記電子制御ユニットはさらに、前記ガス濃度センサにおいて測定した前記ガス濃度と、前記ガス濃度センサの上流側で前記粒子濃度分析システム内に導入された基準ガスの既知のガス濃度とを比較することによって、前記粒子濃度分析システムが適切に校正されているかどうかを判定するように適合され、前記電子制御ユニットは、前記測定したガス濃度が前記既知のガス濃度の特定範囲内にあるかどうかを算出し判定するように構成される、請求項２０に記載の粒子濃度分析システム。
【請求項２２】
前記ガス濃度センサが二酸化炭素濃度センサを含む、請求項２１に記載の粒子濃度分析システム。
【請求項２３】
前記流体飽和室の内部に配置された液面センサをさらに備え、前記液面センサが、前記流体飽和室の内部の作動流体レベルを示すように構成される、請求項１に記載の粒子濃度分析システム。
【請求項２４】
前記作動流体タンクの内部に配置された液面フロートをさらに備え、
前記液面フロートが、前記作動流体タンクの内部の作動流体レベルを示すように構成される、請求項１に記載の粒子濃度分析システム。
【請求項２５】
前記電子制御ユニットが、前記粒子濃度分析システムを制御するために前記電子制御ユニットと無線通信するように適合された低コストの無線通信システムをさらに備える、請求項１に記載の粒子濃度分析システム。
【請求項２６】
前記電子制御ユニットが、低コストのグラフィカルユーザインターフェースをさらに備える、請求項１に記載の粒子濃度分析システム。
【請求項２７】
前記電子制御ユニットが、複数の電子制御式ポンプスイッチを備える、請求項６に記載の粒子濃度分析システム。
【請求項２８】
前記複数の電子制御式ポンプスイッチが、排気ポンプスイッチと作動流体ポンプスイッチとを含み、
前記排気ポンプスイッチが、前記排気ポンプへの電力を電子制御するように構成され、且つ前記作動流体ポンプスイッチが、前記作動流体ポンプへの電力を電子制御するように構成される、請求項２７に記載の粒子濃度分析システム。
【請求項２９】
試料流体中の粒子濃度を計数するように適合された粒子濃度分析システムであって、
作動流体を収容するように適合された作動流体タンクと、
分析すべき前記試料流体を受け入れるように構成された試料流体入口と、
前記作動流体で周囲空気を飽和させるように構成された流体飽和室と、前記流体飽和室からの、前記作動流体で飽和した周囲空気を前記試料流体に凝縮させるように構成された凝縮器と、前記試料流体中に存在する試料粒子を計数するように構成された光学粒子計数器とを備える凝縮粒子計数器と、
前記作動流体タンクから前記流体飽和室に前記作動流体を移すように適合された作動流体ポンプと、
前記分析システムが適切に位置決めされていないときに前記分析システムを自動的に停止するように構成された位置感応スイッチであって、前記位置依存性スイッチが３軸加速度計を備える、前記位置感応スイッチと、
前記凝縮粒子計数器の下流側の排気ポンプと、
前記凝縮粒子計数器の上流側の一体型エジェクタ式希釈器であって、前記凝縮粒子計数器への前記試料流体の流入前に流体試料中の前記濃度の試料粒子を所定の希釈比で希釈するように構成される前記エジェクタ式希釈器、及び前記エジェクタ式希釈器の上流側の希釈ポンプと、
前記分析システムの流路に沿って配置された差圧センサであって、前記分析システム内の圧力差を特定するように構成された前記差圧センサと、
前記排気ポンプと前記希釈との間の圧力差を特定するために、前記排気ポンプと、前記希釈ポンプと、前記差圧センサとに応答する電子制御ユニットと
を備え、
前記電子制御ユニットがさらに、前記希釈ポンプを選択的に停止して、前記希釈ポンプが停止され且つ前記排気ポンプが動作している間に排気ポンプ圧を測定するように前記差圧センサに指示するように、並びに前記排気ポンプを選択的に停止して、前記排気ポンプが停止され且つ前記希釈ポンプが動作している間に希釈ポンプ圧を測定するように前記差圧センサに指示するように応答し、
制御装置が、前記差圧センサにおいて測定した前記圧力に基づいて前記排気ポンプ圧と前記希釈ポンプ圧との間の圧力差を算出するように適合される、
粒子濃度分析システム。
【請求項３０】
試料流体中の粒子濃度を計数するように適合された粒子濃度分析システムであって、
分析すべき前記試料流体を受け入れるように構成された試料流体入口と、
作動流体で周囲空気を飽和させるように構成された流体飽和室と、前記流体飽和室からの、前記作動流体で飽和した周囲空気を前記試料流体に凝縮させるように構成された凝縮器と、前記試料流体中に存在する試料粒子を計数するように構成された光学粒子計数器とを備える凝縮粒子計数器と、
前記分析システムが適切に位置決めされていないときに前記分析システムを自動的に停止するように構成された位置感応スイッチであって、前記位置依存性スイッチが３軸加速度計を備える、前記位置感応スイッチと、
を備える、粒子濃度分析システム。
【請求項３１】
試料流体中の粒子濃度を計数するように適合された粒子濃度分析システムであって、
作動流体で周囲空気を飽和させるように構成された流体飽和室と、前記流体飽和室からの、前記作動流体で飽和した周囲空気を前記試料流体に凝縮させるように構成された凝縮器と、前記試料流体中に存在する試料粒子を計数するように構成された光学粒子計数器とを備える凝縮粒子計数器と、
前記凝縮粒子計数器の上流側の試料流体入口であって、分析すべき前記試料流体を受け入れるように構成された前記試料流体入口と、
冷却装置を備える溶媒回収システムであって、前記光学粒子計数器を通過した後に前記凝縮粒子計数器から排気される前記試料流体の排気流から作業流体を回収するように構成された前記溶媒回収システムと
を備え、
前記溶媒回収システムが、前記粒子濃度分析システム内で再使用されるように、回収した作動流体を前記流体飽和室に戻す、
粒子濃度分析システム。
【請求項３２】
試料流体中の粒子濃度を計数するように適合された粒子濃度分析システムであって、
分析すべき前記試料流体を受け入れるように構成された試料流体入口と、
作動流体で周囲空気を飽和させるように構成された流体飽和室と、前記流体飽和室からの、前記作動流体で飽和した周囲空気を前記試料流体に凝縮させるように構成された凝縮器と、前記試料流体中に存在する試料粒子を計数するように構成された光学粒子計数器とを備える凝縮粒子計数器と、
前記試料流体中に存在するガスの濃度を測定するように適合された不正防止装置であって、前記測定したガス濃度と予想したガス濃度とを比較して、前記粒子濃度分析システムが適切に構成されていることを前記比較した濃度に基づいて検証するように適合される前記不正防止装置と
を備える、粒子濃度分析システム。
【請求項３３】
試料流体中の粒子濃度を計数するように適合された粒子濃度分析システムであって、
分析すべき前記試料流体を受け入れるように構成された試料流体入口と、
作動流体で周囲空気を飽和させるように構成された流体飽和室と、前記流体飽和室からの、前記作動流体で飽和した周囲空気を前記試料流体に凝縮させるように構成された凝縮器と、前記試料流体中に存在する試料粒子を計数するように構成された光学粒子計数器とを備える凝縮粒子計数器と、
前記試料流体中に存在する試料粒子を計数するために前記光学粒子計数器に応答する電子制御ユニットと、
前記凝縮粒子計数器の下流側のガス濃度センサであって、前記粒子濃度分析システム内のガス濃度を測定するように適合されたガス濃度センサとを備え、
前記電子制御ユニットはさらに、前記ガス濃度センサにおいて測定した前記ガス濃度と、前記凝縮粒子計数器の上流側で前記粒子濃度分析システム内に導入された基準ガスの既知のガス濃度とを比較することによって、前記粒子濃度分析システムが適切に校正されているかどうかを判定するために前記ガス濃度センサに応答し、
前記電子制御ユニットは、前記測定したガス濃度が前記既知のガス濃度の所要範囲内にあるかどうかを算出し判定するように構成される、
粒子濃度分析システム。
【請求項３４】
試料流体中の粒子濃度を計数するように適合された粒子濃度分析システムであって、
作動流体を収容するように適合された作動流体タンクと、
分析すべき前記試料流体を受け入れるように構成された試料流体入口と、
前記作動流体で周囲空気を飽和させるように構成された流体飽和室と、前記流体飽和室からの、前記作動流体で飽和した周囲空気を前記試料流体に凝縮させるように構成された凝縮器と、前記試料流体中に存在する試料粒子を計数するように構成された光学粒子計数器とを備える凝縮粒子計数器と、
前記作動流体タンクから前記流体飽和室に前記作動流体を移すように適合された作動流体ポンプと、
前記試料流体中に存在する試料粒子を計数するために前記光学粒子計数器に応答する電子制御ユニットと、
前記作動流体タンクの下流側に配置されたガス濃度センサであって、前記作動流体タンクから前記流体飽和室に移された前記作動流体の純度を測定するように構成された前記ガス濃度センサと
を備え、
前記電子制御ユニットはさらに、前記作動流体の前記純度が所要の純度レベルを下回ったときに前記粒子濃度分析システムを停止するために前記ガス濃度センサに応答する、
粒子濃度分析システム。
【請求項３５】
流体試料中の粒子濃度を分析するための方法であって、
粒子濃度分析システムに試料流体の試料を導くことと、
作動流体ポンプを用いて作動流体タンクから流体飽和器ブロックに作動流体を圧送することと、
前記流体飽和器ブロック内の前記作動流体を加熱することと、
前記流体飽和器ブロック内に周囲空気の流れを導くことと、
前記加熱した作動流体で前記周囲空気を飽和させて、過飽和流体流を生成することと、
過飽和流体を混合室に移送することと、
前記混合室内で前記過飽和流体を前記試料流体の試料と混合して、前記試料流体と前記過飽和流体との混合物を作り出すことと、
前記混合物を前記混合室の下流側の凝縮器内に移送することと、
前記過飽和流体を前記試料流体中の試料粒子上に凝縮させて前記試料粒子を成長させることと、
光学粒子計数器を通して前記成長した試料粒子を移送することと、
前記光学粒子計数器を用いて前記成長した試料粒子を計数することと、
前記光学粒子計数器と電子通信する電子制御ユニットにおいて前記光学粒子計数器からの情報を受信することと、
前記電子制御ユニットを用いて前記試料流体の前記試料粒子の濃度を特定することと、
前記光学粒子計数器から前記計数した試料粒子を排気することと
を含む方法。
【請求項３６】
エジェクタ式希釈器内で前記試料流体を希釈することと、希釈ポンプによって希釈試料を前記混合室に移送することとをさらに含む、請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
前記電子制御ユニットを用いて前記希釈ポンプと排気ポンプとを交互に停止することであって、前記電子制御ユニットが複数のポンプスイッチを備える、前記停止することと、
前記希釈ポンプと前記排気ポンプとを交互に停止する間に、前記電子制御ユニットと電子通信する差圧センサを用いて前記希釈ポンプと前記排気ポンプとの間の圧力を測定することと、
前記電子制御ユニットを用いて、前記希釈ポンプと前記排気ポンプとの間の圧力差を算出することと
をさらに備える、請求項３６に記載の方法。
【請求項３８】
飽和器流体レベルセンサを用いて流体飽和器室内の流体レベルを監視することと、
流体タンクレベルセンサを用いて前記作動流体タンク内の流体レベルを監視することと、
測定した流体レベルの情報を前記電子制御ユニットに伝達することと、
電子制御装置によって前記飽和器流体レベルセンサ及び前記流体タンクレベルセンサから受信された情報に基づいて、前記流体飽和器室内に前記作動流体を自動的に補充することと
をさらに備える、請求項３５に記載の方法。
【請求項３９】
前記粒子濃度分析システムが理想的動作位置にない場合に位置感応安全スイッチを用いて前記粒子濃度分析システムを停止することをさらに含み、
前記位置感応安全スイッチが３軸加速度計を備え、
前記位置感応安全スイッチは、前記粒子濃度分析システムが不適切に位置決めされていることを前記３軸加速度計が検出した場合に前記粒子濃度分析システムを停止するように構成される、請求項３５に記載の方法。
【請求項４０】
溶媒回収システムを用いて排気され計数されたエアロゾルから作動流体を回収することと、
前記粒子濃度分析システム内で再利用及び再使用されるように、前記回収した作動流体を前記作動流体タンクに戻すことと
をさらに含む、請求項３５に記載の方法。
【請求項４１】
前記電子制御ユニットと電子通信するガス濃度センサを用いて前記試料流体中に存在する二酸化炭素の濃度を測定することと、
前記ガス濃度センサからの測定したガス濃度と予想した排気ガス濃度とを比較することによって、前記電子制御ユニットを用いて試料採取プローブが車両排気管に適切に挿入されていることを検証することと
をさらに含む、請求項３５に記載の方法。
【請求項４２】
前記凝縮器の上流側の基準ガス入口ポートにおいて前記粒子濃度分析システム内に基準流体流を導入することであって、基準流体が既知の粒子濃度を有する、基準流体流を導入することと、
前記粒子濃度分析システム内における前記凝縮器の下流側の箇所に配置された、前記電子制御ユニットと電子通信するガスセンサを用いて粒子濃度を測定することと、
前記電子制御ユニットにおいて前記ガスセンサから前記測定した粒子濃度を受信することと、
前記電子制御ユニットを用いて、前記基準流体の前記既知の粒子濃度に基づいて前記測定した粒子濃度と予想した粒子濃度とを比較することと、
測定した粒子濃度と予想した粒子濃度との前記比較に基づいて、前記粒子濃度分析システムの流量値が所要の校正限度内にあることを検証することと
をさらに含む、請求項３５に記載の方法。
【請求項４３】
前記電子制御ユニットと電子通信するガス純度センサを用いて、前記作動流体タンクからの前記作動流体の純度を測定することと、
前記電子制御ユニットを用いて、前記作動流体が所要の純度を満たすことを検証することと
をさらに含む、請求項３５に記載の方法。
【請求項４４】
流体試料中の粒子濃度を分析するための方法であって、
凝縮器の上流側の基準ガス入口ポートにおいて粒子濃度分析システム内に基準流体流を導入することであって、基準流体が既知の粒子濃度を有する、基準流体流を導入することと、
電子制御ユニットと電子通信するガスセンサを用いて粒子濃度を測定することであって、前記ガスセンサが、前記粒子濃度分析システム内における前記凝縮器の下流側の箇所に配置される、粒子濃度を測定することと、
前記電子制御ユニットにおいて前記ガスセンサからの前記測定した粒子濃度の情報を受信することと、
前記電子制御ユニットを用いて、前記基準流体の前記既知の粒子濃度に基づいて前記測定した粒子濃度と予想した粒子濃度とを比較することと、
測定した粒子濃度と予想した粒子濃度との前記比較に基づいて、前記粒子濃度分析システムの流量値が所要の校正限度内で校正されることを検証することと
を含む方法。
【請求項４５】
流体試料中の粒子濃度を分析するための方法であって、
飽和器流体レベルセンサを用いて粒子濃度分析システムの流体飽和器室内の流体レベルを監視することと、
流体タンクレベルセンサを用いて、前記粒子濃度分析システムに配置された作動流体タンク内の流体レベルを監視することと、
測定した流体レベルの情報を前記粒子濃度分析システムの電子制御ユニットに伝達することと、
電子制御ユニットによって前記飽和器流体レベルセンサ及び前記流体タンクレベルセンサから受信された情報に基づいて、作動流体ポンプを用いて前記作動流体タンクから前記流体飽和器室内に配置された作動流体リザーバに作動流体を圧送することと
を含む方法。
【請求項４６】
流体試料中の粒子濃度を分析するための方法であって、
感圧位置センサを用いて、粒子濃度分析システムが適切に位置決めされているかどうかを判定することと、
前記粒子濃度分析システムが適切に位置決めされていないと前記感圧位置センサが判定した場合に、前記粒子濃度分析システムを自動的に停止することと
を含む方法。
【請求項４７】
流体試料中の粒子濃度を分析するための方法であって、
複数のポンプスイッチを備える電子制御ユニットを用いて希釈ポンプと排気ポンプとを交互に停止することと、
前記電子制御ユニットが前記希釈ポンプと前記排気ポンプとを交互に停止する間に、前記電子制御ユニットと電子通信する差圧センサを用いて前記希釈ポンプと前記排気ポンプとの間の圧力を測定することと、
前記電子制御ユニットを用いて、前記希釈ポンプと前記排気ポンプとの間の測定した圧力に基づいて前記希釈ポンプと前記排気ポンプとの間の圧力差を算出することと
を含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粒子濃度を分析するためのシステムに関し、詳細には凝縮粒子計数器に関する。
【背景技術】
【０００２】
エンジンからの排ガス及び空気質基準は、ますます多くの車両が世界の幹線道路及び広野を埋め尽くし、環境汚染者が汚染物質を出し続けるにつれて、地球上でますます重要になっている。車両エンジン排気の排ガス試験は、エンジンが地球を過度に汚染しないことを確実にすることに関する世界的な懸念事項である。現在の測定システムは、通常、大型で、高価であり、且つ多大な時間を必要とする。その上、エンジンがその耐用寿命中、確実に準拠するために、あらゆる汚染物質について車両排ガスの大規模な定期検査が必要となる。車両の排ガス試験での別の懸念事項は、その分析に周囲空気が入り込むことを許容し、偽の合格を示すことによって、試験設備、技術者、又は顧客が試験で「不正を行う」可能性である。
【０００３】
１つのタイプの排ガス分析器は、混合型凝縮粒子計数器（ＣＰＣ）であり、１０〜２００ｎｍ（ナノメートル）の粒径範囲の粒子数濃度の測定のためのものである。そのような粒子計数器は、環境空気の質の監視のために、エンジン排ガス中の粒子濃度の特定に使用されるとともに、粒子濃度が懸念事項である他の用途に使用される。ＣＰＣは、作動流体（例えば、ブタノール又はイソプロピルアルコール）の定期的な充填を必要とする。充填は、通常、重力供給システム又は外部タンクからのシリンジを使用して達成される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
以下は、特に定期的技術検査（ＰＴＩ）に伴うテールパイプの粒子数（ＰＮ）濃度測定などの、空気質試験及び分析のために開発された低コストで複雑性の低い製品に関する。多くの場合、空気質試験及び分析を実施して試料流体中の粒子を計数するために、凝縮粒子計数器（ＣＰＣ）が使用される。ＣＰＣでは、通常、熟練した操作者が計器を監視する、例えば、作動流体を監視し、作動流体が常に十分に充填され且つ十分に純度が高いか又は汚染されていないことを確実にする必要がある。自動車車両の定期的技術検査（ＰＴＩ）での低コストの排ガス試験技術の適用では、低コストで、再現性があり、且つ精密な測定装置が必要なだけでなく、好ましくは、装置が適切に動作しており且つ正しく使用されていることを確認するために自動化されたシステム及び測定チェックも必要となる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一態様では、車両排ガスの試料中の粒子濃度を分析するために、凝縮粒子計数器を含む粒子濃度分析システムが提供される。分析は、試料採取プローブを試験される車両に挿入することと、規定の試験手順（例えば、エンジンのアイドリング運転）を通じて車両排ガスの粒子数濃度を記録することとを含む。記録したレベルが、適用される基準を上回った場合、車両はこの排ガス試験に合格又は不合格したとみなされる。
【０００６】
一態様では、本発明による完全一体型の粒子濃度分析システムは、試料採取プローブと周囲空調システムとに結合されたＣＰＣを利用して、車両排ガスの試料中の粒子濃度を分析する。分析システムは、エンジンがアイドリング状態にあるＰＴＩ粒子数（ＰＮ）試験の際に車両エンジンが合格又は不合格かどうかを判定するように構成可能である。分析器はさらに、測定される最大許容粒子数が２５０，０００＃ｃｍ−３未満である「急加速」直後の３つの１分間の試料で車両が試験される、ＰＴＩ粒子数試験の際に車両エンジンが合格か不合格かどうかを判定するように構成可能である。
【０００７】
本発明の一態様では、オンボード診断（ＯＢＤ）システムは、車両が「暖機」されてＰＴＩ  ＰＮ試験の準備が整うことを確実にするように構成される分析システムに組み込まれる。試験中に、追加のデータ評価を容易にするために、ＰＴＩ  ＰＮ合格又は不合格の結果のみならず、ＯＢＤパラメータ（ＲＰＭ、冷媒温度、及び質量空気流量）とＰＮ濃度の両方の１秒毎のデータが記録される。
【０００８】
混合型ＣＰＣは、飽和空気の供給源から隔てられたまま保たれ、凝縮器を通して移送される前に混合されるエアロゾル流（試料流）を用いて動作する。全流型ＣＰＣは、作動流体に取り囲まれた加熱された芯を通過して飽和する粒子（試料）含有空気を用いて動作する。全流型ＣＰＣと混合型ＣＰＣの両方について、過飽和蒸気は、試料粒子上に凝縮して、試料粒子を約５〜１０μｍの液滴に成長させる。次いで、これらの液滴は、ノズルを通して集められ、レーザビームを通過し、パルス検出電子機器などの、光散乱粒子計数器によって計数される。混合型ＣＰＣは、全流型ＣＰＣに勝る有益な特質を提供し、時間の経過とともに過飽和度が低くなる試料粒子で芯が汚染されないので、飽和器又は芯に関連する性能劣化を伴わない。
【０００９】
飽和器は、凝縮器及び測定光学系から機械的に切り離すことができ、それによって、振動、向きなどによって生じる作動流体からの光学系汚染に対する感度が十分に低いことを含む、ロバスト性を向上させる。
【００１０】
分析システムは、ＣＰＣの制御のための専用マイクロプロセッサを有する電子制御装置を含む。加えて、分析システムは、データ保存用の低コストのマイクロコンピュータ一式と、無線通信（ＷｉＦｉ）システムと、オンボード診断アダプタとのＢｌｕｅｔｏｏｔｈ通信と、ＨＴＭＬ方式のグラフィカルユーザインターフェースと、種々の用途でシステムが独立して動作することを可能にするための追加のシステムとを備えることができる。任意選択的に、分析システムのＣＰＣは、ＣＰＣ凝縮器から流体を周期的に排出するための３方ソレノイド弁を含む。
【００１１】
一態様では、分析システムは、希釈流と飽和器流とを濾過するためのＨＥＰＡフィルタと、外部作動流体タンクと、マイクロプロセッサ制御のポンプと、システムをｄ５０から２３ｎｍに増大させるための拡散スクリーンと、試料採取ホースと、試料採取プローブとを含む、機能性と効率性とを高めるための追加の構成要素を含む。任意選択的に、分析システムは、粒子数濃度範囲を６，０００，０００粒子／立方センチメートル（＃／ｃｍ３）まで広げる第２の希釈器を含む。しかしながら、２５０，０００＃／ｃｍ３を超える濃度は、欠陥のあるディーゼル及びガソリン粒子フィルタについての信頼できる指標となる。半揮発性粒子の除去のための蒸発器管も分析システムに含まれ得る。
【００１２】
粒子分析器は、ＩＳＯ  ２７８９１：２０１５の性能基準を満たすように校正することができる。しかしながら、ＣＰＣ技術の固有の直線性及び性能予測可能性により、対応する大幅なコスト削減をもたらすために、ほとんど又は全く悪影響なしに、より低減された校正範囲を使用することができる。粒子分析器は、スイス連邦大気汚染規制法（ＯＡＰＣ：Ｏｒｄｉｎａｎｃｅ  ｏｎ  Ａｉｒ  Ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ  Ｃｏｎｔｒｏｌ）８１４．３１８．１４２．１のスイスＰＴＩ性能基準を満たすか又は上回るように構成することもできる。ＳＲ  ８１４．３１８．１４２．１は、現在確立されている唯一のＰＴＩ  ＰＮプログラムである。分析システムのＣＰＣは、３秒未満のｔ１０〜ｔ９０応答で動作するように構成可能である。
【００１３】
動作劣化係数は、ＩＳＯ  ２７８９１の校正方法及び年１回の校正間の間隔に反映されるように、適切に設計されたＣＰＣでは本質的にゼロである。対照的に、拡散型ＰＮ測定システム又は拡散荷電器（ＤＣ）は、通常、例えば、トラップ及びコロナ源の汚染などの、様々な供給源から通常動作中に劣化する傾向にある。排ガス粒子濃度分析の対象となる通常の粒径範囲では、ＣＰＣは粒径依存性を有しないが、ＤＣは、有意な粒径依存性を有し、（例えば、選択的触媒還元（ＳＣＲ）後処理システムにおいて）粒子を予め帯電させている場合に一貫性のない結果を呈する可能性がある。
【００１４】
試料用毛細管は、個々の流量校正の必要性を低減又は排除する分析システムの種々の構成要素において流体流を測定するために含まれ得る。絞り孔の前後の圧力の測定によって特定される流体又はガス流量は、多くの場合、個々の校正を必要とする。しかしながら、低コストの皮下注射針（すなわち毛細管）のための極めて厳密な設計及び表面公差は、圧力低下による流量測定のための、校正なしの、厳密な制御をもたらす。混合型ＣＰＣは、通常、実時間で測定される合計４つの流れ（抽出流、試料流、排出流、及び／又は飽和器流など）のうちの少なくとも３つ又は４つを有するように構成される。各流量測定では、比較的高価な圧力センサ又は圧力変換器が必要となる。混合型ＣＰＣは、通常、全排気から飽和器流と排出流を差し引くことで試料流を測定する。そのような手法は、特定される試料流の誤差を低減するために、全排気、飽和器、及び排出流の極めて精密な流量校正を必要とする。試料用毛細管は、試料流を測定及び／又は算出し、これによって、誤差の潜在的な原因を低減又は排除し、且つ分析器の複雑性及びコストを低減するために、分析システムに含まれる。ＣＰＣから排出を行うために３方ソレノイド弁を使用することで、排出流を測定する必要性を取り除くことによって複雑性及びコストがさらに低減又は排除され得る。
【００１５】
測定のために各箇所に圧力変換器を含む代わりに、圧力差を特定し、次いで、システム内の圧力を算出するために、各圧力供給源を周期的に動作させることによって、単一の圧力変換器又は圧力センサを使用して、２つの圧力供給源間の圧力差を測定することができる。第１の圧力Ｐ１及び第２の圧力Ｐ２は、Ｐ１又はＰ２のいずれかの供給源の周期的サイクルでの圧力応答Ｐを測定することによって特定することができる。圧力応答Ｐ＝Ｐ１＋Ｐ２であり、したがって、通常動作中にはＰ１＝Ｐ−Ｐ２であり、Ｐ１供給源がオフにされた状態では、Ｐ２＝Ｐである。圧力供給源をオフにするのに必要な電子機器は、より簡単なものであり、且つ複雑な各圧力変換器のコストの何分の１かのコストしかかからないので、２つの別個の変換器の代わりに、単一の差圧変換器は、圧力応答測定に必要な手段の複雑性を低減する。一方の圧力供給源の隔離から両方の測定までの間隔は、圧力信号の安定性に基づいて決定し設定することができる。
【００１６】
ＣＰＣの効率は、達成される過飽和度によって決定され、過飽和度は、飽和器と凝縮器との温度差に依存する。実際には、周囲空気の全ての粒子が同程度の過飽和となる又は過飽和を達成するわけではないので、より低い過飽和度では光学粒子計数器の効率が徐々に低下する。低い過飽和度では、光学計数器によって検出される可能性が比較的低いより小さな粒径が生成される。光学計数器によって分析すべき粒子の許容可能なより低いカットオフ径は、一般的に、存在する粒子の５０％（ｄ５０）が計数される粒径として定義される。通常、より低いカットオフ粒径は、直径が約１５ｎｍである。１５ｎｍのｄ５０粒径は、２３ｎｍ程度の大きさの粒子の測定を必要とする、「自動車−ＰＭＰ」基準よりも小さく、したがって、エンジン排気を分析するときにはより大きなｄ５０が必要である。拡散スクリーンは、ｄ５０を許容可能な粒径まで増大させることができる。
【００１７】
エンジンは、相当量の二酸化炭素（例えば、ストイキ燃焼条件下で動作するガソリンエンジンから１６体積％の排気ガス中の予想濃度）を出す。試料採取プローブが車両のテールパイプに完全又は正確に挿入されない場合、測定される二酸化炭素は、周囲空気との混合によって予想される二酸化炭素よりも少なくなる。これによって、エンジン排気粒子がより清浄な周囲空気で希釈されるので、適切に実施された排気分析に合格しない「汚染源となる車両」が合格してしまう可能性がある。分析システムに含まれる二酸化炭素センサは、車両を「合格」させるために使用者が意図的に試料採取プローブを車両のテールパイプに十分に挿入しないことを防止するための不正防止装置を提供する。
【００１８】
本発明の一態様では、ＣＰＣは、レーザ測定域内に存在する粒子濃度の報告された数値を自動的に調整するように構成可能である。この調整は「同時補正係数」と呼ばれる。高い粒子濃度は、試験を妨げ、分析システムの精度を低下させる場合がある。試料流中の粒子濃度が高いほど、成長した２個以上の試料粒子滴がレーザ測定域内に存在する可能性が高くなり、光学系は、測定域内の２個以上の粒子のうちの１つのみを「計数」し得る。その結果、計数ミスが生じる。例として、高い粒子濃度は、流体体積１立方センチメートル（＃ｃｍ−３）当たり粒子３０，０００個の濃度で存在し得る。自動補正の適用によって、ＣＰＣがＲ２＞０．９９の直線性と１５％未満の最大同時補正係数とを用いて最大で３０，０００＃ｃｍ−３までを測定することが可能となる。ＣＰＣは、流れ中の粒子を正確に計数できる最大粒子濃度を有し、この最大値は、単一計数モード（非希釈）での上限濃度と呼ばれる。例えば、ＣＰＣは、分析システムに含まれる拡散スクリーン又は希釈器を用いて増大させ得る、単一計数モードでの３０，０００＃ｃｍ−３の上限濃度を有し得る。
【００１９】
それゆえ、本発明の粒子濃度分析システムは、エンジン排気ＰＴＩ粒子数試験などの、試料流体の粒子濃度分析を実施するための凝縮粒子計数器を含むロバストな分析システムを提供する。粒子濃度分析システムは、試験設備内で使用されるように、且つエンジンを現場外で試験する、例えば実地で試験するのに使用されるように構成可能である。この分析システムは、車両エンジン排気分析、発電所排気分析、周囲環境空気質分析、及び他の環境での使用を含む、種々の環境で使用され得る。分析システムは、試験手順中及び分析システムの移送中の損傷、誤用、及び汚染を防止するために、密封された作動流体タンクと、安全位置スイッチとを含む。分析システムは、分析システムを用いて実施された試験が所定の品質要件を満たすことを確実にするために、分析システムを測定し、検証し、且つ校正するための圧力センサ及び流量センサを含む。試験済みの流体流から作動流体を回収して、作動流体消費率を低下させ、全体の流体消費量を低減するとともに、分析システム内に作動流体を補充せずに実施できる試験の回数を増やすために、溶媒回収システムが含まれてもよい。分析システムは、作動流体の手作業での補充によって導入され得る汚染及び取り扱いを低減するために、作動流体を監視して試験中に作動流体が消費されたときに補充するための、作動流体自動補充システムを含む。追加の特徴は、周囲環境への吐出前に揮発性粒子を蒸発させるための蒸発器管と、光学粒子計数器の効率を高めるために試料流中の粒子の濃度を希釈するためのエジェクタ式希釈器と、凝縮粒子計数器への流入前に非常に小さな粒子を選択的に除去するための拡散スクリーンと、簡単で低コストの流量検証のための微細毛細管とを含む。
【００２０】
本発明のこれら及び他の課題、利点、目的、及び特徴は、図面と併せて以下の明細書を精査すればより明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１は、本発明による粒子濃度分析システムの図である。
【図２】図２は、本発明による粒子濃度分析システムの流れ図である。
【図３】図３は、本発明による粒子濃度分析システムの背面図である。
【図４】図４は、本発明による粒子濃度分析システムの正面図である。
【図５】図５は、粒子濃度分析システム内のシステム流量を監視するための毛細管流モニタの断面図である。
【図６】図６は、粒子濃度分析システムの排出のための３方ソレノイドの断面図である。図６ａは、「通常時開弁」構成にある図６の３方ソレノイド弁の詳細図である。図６ｂは、「通常時閉弁」構成にある図６の３方ソレノイド弁の詳細図である。
【図７】図７は、粒子濃度分析システム内の作動流体の回収のための冷却式溶媒回収システムの断面図である。
【図８】図８は、粒子濃度分析システムの校正を図示する流れ図である。
【図９】図９は、車両の排ガスの試験を行うために用意された本発明による粒子濃度分析システムの斜視図である。
【図１０】図１０は、本発明による粒子濃度分析システムの分解斜視図である。
【図１１】図１１は、本発明による粒子濃度分析システムの断面図である。
【図１１Ａ】図１１Ａは、粒子濃度分析システムの飽和器の構成要素及び中身を描いた、図１１の粒子濃度分析システムの別の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
ここで図面と本明細書に描かれている例示の実施形態を参照すると、凝縮粒子計数器（ＣＰＣ）１２を含む、流体中の粒子濃度を分析するためのシステム１０が、試料流体又はエアロゾルを分析して試料中の粒子濃度又は粒子数を特定するために提供される（図１）。分析システム１０は、定期的技術検査（ＰＴＩ）のためを含め、エンジン排気、環境大気、発電排気などを含む、種々の形態の流体試料又はエアロゾル試料を分析するように適合されてもよい。分析システム１０は、周囲空気流を過飽和状態にするために、イソプロピルアルコール（ＩＰＡ）などの、作動流体を用いて動作するように構成される。飽和した周囲空気流が試料空気と混合され、次いで、周囲空気と試料空気との混合物は、過飽和した周囲空気が試料空気流中の粒子上に凝縮して、試料空気流中の粒子を成長させ、粒子を光学粒子計数器にとって見えるものにする、凝縮器を通過する。分析システム１０は、分析システム１０内の作動流体を監視し且つ分析システム１０内に作動流体を自動的に充填又は補充するための作動流体充填又は補充システム１６を含む。作動流体充填システム１６は、分析システム１０内に十分な満量の作動流体を充填して維持するためのポンプ１８を含む。作動流体タンク２０は、粒子分析システム１０に作動流体の供給源を提供するために、粒子分析システム１０に含まれる。分析システム１０は、熟練した操作者がシステム１０を監視し且つ維持できる試験設備において使用されるように適合されてもよい。任意選択的に、分析システム１０は、農作業機の実地試験などの、自己完結型で、持ち運び可能で、且つロバストな粒子分析システム１０ａとして持ち運び用に適合されてもよい（図４及び図９参照）。
【００２３】
ＣＰＣ１２は、周囲空気流を過飽和状態にするために、イソプロピルアルコール（ＩＰＡ）などの、作動流体を用いて動作するように構成される。図１の図示の実施形態では、ＣＰＣ１２は、試料流体（例えば、エンジン排気）とは無関係に、飽和器ブロック又は流体飽和室２２内の作動流体によって周囲空気流が過飽和状態にされるような、混合型ＣＰＣである。過飽和が達成された後、飽和した周囲空気が、飽和器ブロック２２と凝縮器２４との間で、流体、空気又はエアロゾルの試料流と混合される。飽和した周囲空気流及び試料空気流は、凝縮器２４の上流側の混合室２５内で、凝縮器２４内で、又は飽和流と試料流との混合合流点２７で混合されてもよい。次いで、周囲空気流と試料空気流との混合物は、過飽和した周囲空気が試料空気流中の粒子上に凝縮して、試料空気粒子を成長させ、試料空気粒子を光学粒子計数器１４に見えるものにする、凝縮器２４を通過する。飽和した周囲空気が試料空気粒子上に凝縮することによって、大きさが５〜１０マイクロメートル（μｍ）である液滴などの、より大きな液滴へと試料空気粒子が成長する。不要な粒子は分析結果に干渉する場合があり、ＨＥＰＡフィルタなどの、流体フィルタ又はエアフィルタ２３が、周囲空気から不要な粒子を濾過して取り除くために分析システム１０の飽和器２２の上流側に含まれてもよい。
【００２４】
成長粒子は、光学粒子計数器１４の入口側１４ａ又はその近傍における幅広の端部と、レーザビーム３０に近接する幅狭の端部とを有するノズル２８を通して集束させるか又はノズル２８に通される。ノズル２８は、レーザビーム３０及び光学計数器１４の光場を通る略均一な流れに成長粒子流を導く。光学計数器１４は、試料流体流中に存在する試料空気粒子の数を特定するために、パルス検出電子機器を用いるなど、光散乱特性を利用することによって、成長粒子をレーザ３０による粒子流として計数する。レーザ３０及び光学粒子計数器１４を通過した後に、分析済みの流体流は、光学計数器１４の排気側１４ｂから排気される。
【００２５】
図１及び図２の図示の実施形態では、粒子分析システム１０は、飽和器２２内の作動流体を自動的に監視して、ＨＥＰＡフィルタで濾過された周囲空気流の飽和中に作動流体が枯渇したときに飽和器２２内に作動流体を補充するための、作動流体自動充填システム１６を含む。流体充填システム１６は、作動流体ポンプ１８と作動流体タンク２０とを含む。ポンプ１８は、作動流体タンク２０から作動流体を引き出して、飽和器ブロック２２のリザーバ部分２６に作動流体を圧送する。図１に図示するように、ポンプ１８は、蠕動ポンプである。リザーバ流体レベルセンサ３２は、飽和器２２内の作動流体のレベルを監視するために、リザーバ部分２６に配置される。流体レベルセンサ３２は、飽和器２２内の作動流体の十分なレベルを維持して分析システム１０の適切な動作を確保するために、ポンプ１８と電子通信する。自動充填システム１６は、技術者による流体の取り扱いを軽減するとともに、作動流体の汚染の発生を低減する。
【００２６】
分析システム１０は、ポンプ１８と通信する電子制御装置３４と、流体レベルセンサ３２から受信した情報に基づいてポンプ１８を制御する流体レベルセンサ３２とを含み得る。制御装置３４は、分析システム１０を制御するように適合されたソフトウェアを含む。組み込み型コンピュータには、分析システム１０とのウェブベースの無線通信、グラフィカルユーザインターフェース、又は第三者装置（例えば、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈオンボード診断、若しくはＵＳＢベースのＧＰＳモジュール）の統合を容易にして、システム１０を制御又は監視するために、ソフトウェア制御装置３４が設けられてもよい。電子制御装置は、分析システム１０内の異なるポンプを選択的に動作させるためのスイッチ３５を含む。
【００２７】
作動流体タンク２０は、ＣＰＣ１２及び分析システム１０の通常使用の際に、定期的な補充及び／又は交換を必要とする。作動流体は、吸湿性及び可燃性である場合があり、結果として、作動流体の安全な取り扱いが重要になる。作動流体タンク２０は、作動流体タンク２０を転倒させても作動流体がこぼれないように、且つタンク２０内の吸湿性作動流体が、作動流体を汚染する可能性のある水蒸気にさらされないように、（例えば、隔壁を備えた）自己密封性キャップなどによって、密封されてもよい。密封タンク２０が取り外されたときに、自己密封キャップ（図示せず）は、タンク２０内の流体を収容し、汚染及び安全性の問題を緩和する。任意選択的に、以下にさらに詳細に説明するように、作動流体タンク２０は、作動流体から水を除去するための分子篩を含み得る。
【００２８】
作動流体タンク２０及び作動流体ポンプ１８は、ＣＰＣ１２と流体連通する。流体タンク２０及び流体ポンプ１８は、ＣＰＣ１２から離間して配置されてもよい。タンク２０及びポンプ１８は、交換又は補充されるためにＣＰＣ１２から切り離されてもよい。任意選択的に、作動流体ポンプ１８は飽和器ブロック２２に結合され、且つ作動流体タンク２０は、交換又は補充されるためにタンク２０がポンプ１８から切り離され得るように、作動流体ポンプ１８から離間して配置される。別の実施形態では、ハウジング３６は、自己完結型分析システム１０ａ（図４及び図９）を提供するために、ＣＰＣ１２及び流体充填システム１６を収容して支持する。システム１０ａの作動流体タンク２０は、補充又は交換されるためにシステムから取り外されてもよい。任意選択的に、システム１０ａの作動流体タンク２０は、外部タンクから補充されてもよく、結果として、ハウジング３６からの取り外しが不要になる。
【００２９】
一実施形態では、分析システム１０において使用される作動流体は、９９％超のイソプロピルアルコール（ＩＰＡ）である。ｎ−ブタノールなどの、他の流体が作動流体に使用されてもよい。作動流体は、高純度（例えば、９９％超の純度）に維持される必要がある。作動流体中の不純物（例えば水）は、蒸気圧／温度関係を変化させ、分析システム１０からの不正確な読み取りを生じさせる可能性がある。飽和器２２内で発生したＩＰＡ蒸気の量及び純度は、安定した正確な測定のために極めて重要である。イソプロピルアルコール、ｎ−ブタノール、及び他の作動流体は、吸湿性であるので、時間の経過とともに水を吸収する可能性があり、これによって、分析システム１０の分析効率が低下する。作動流体タンク２０には、作動流体の汚染又は劣化を防止するか又はなくすために、吸水材（図示せず）を供給することができる。作動流体タンク２０内の吸水材は、飽和器２２への流入前に周囲空気から水汚染を除去し、これによって流体の使用寿命を延ばすための、タンク２０内の３Ａ分子篩であってもよい。
【００３０】
分析システム１０の通常動作時に、作動流体消費率は、１〜２ｍｌ／時である。図示のように、飽和器ブロックリザーバ２６は、液体作動流体のための１０ｍｌの容量を有する。作動流体の消費率が低いため、分析システム１０は、作動流体タンク２０に補充するか又は作動流体タンク２０を交換する必要なしに長期間にわたって動作することが可能である。１〜２ｍｌ／時の作動流体消費率は、約５〜１０時間の連続動作をもたらす。例えば、５分間のＰＴＩ試験では、飽和器ブロックリザーバ２６に補充せずに、約６０〜１２０回のＰＴＩ試験を実施することができる。作動流体タンク２０は、分析器の動作期間を数ヶ月まで延ばし、且つ作動流体タンク２０の容量は、より短い又は長い試験期間に対応するように選択されてもよい。
【００３１】
一実施形態では、分析システム１０は、試験結果品質を向上させるために、ＣＰＣ１２の上流側に少なくとも１つの拡散スクリーン（図示せず）を含む。ＣＰＣ１２の上流側の拡散スクリーンは、現在確立されている２３ｎｍの「自動車−ＰＭＰ」基準に対応するように分析システム１０を向上させるために含まれる。必要な拡散スクリーンの数は、異なるｄ５０カットオフ点を満たすように選択することができる。
【００３２】
ＣＰＣ１２は、レーザ測定域３０ａ内に存在する粒子濃度の報告された数値を自動的に調整するように構成されてもよい。この調整（「同時補正係数」）によって、試料流体中の粒子の濃度が高いときでも光学計数器１４が粒子を正確に計数することが可能となる。予備の希釈手段なしに、且つ同時補正係数を利用して、ＣＰＣ１２は、分析システム１０の単一計数モード（非希釈）での上限濃度を表す、最大３０，０００＃ｃｍ−３の校正された有効な分析が可能である。
【００３３】
図２の図示の実施形態では、分析システムは、最大約６００，０００＃ｃｍ−３の濃度の単一粒子計数を容易にするためのエジェクタ式希釈器４０を含む。希釈空気ポンプ４２は、希釈器流入口４０ａを通して希釈空気流をエジェクタ式希釈器４０に提供するために、エジェクタ式希釈器４０の上流側に含まれる。エジェクタ式希釈器４０は、流体の試料流を名目上２０：１の希釈比で希釈するように構成可能である。エジェクタ式希釈器４０は、希釈比率を修正するように調整可能であってもよい。エジェクタ式希釈器４０はまた、試料流を周囲の濾過された希釈空気と混合することによって高濃度の水蒸気を出す試験車両及びエンジン（例えば、ガソリンエンジン）に伴う湿度の問題を克服することも可能である。任意選択的に、約６００，０００＃ｃｍ−３超の粒子濃度の試験を行うために、追加のエジェクタ式希釈器（図示せず）を分析システム１０に取り付けることができる。例えば、１０：１の希釈比率を有する追加の希釈エジェクタ式希釈器は、分析システム１０の濃度上限を６，０００，０００＃ｃｍ−３まで広げることができる。ＨＥＰＡフィルタなどの、フィルタ４１は、エジェクタ式希釈器４０への流入前に周囲空気を濾過するために、エジェクタ式希釈器４０に結合されてもよい。
【００３４】
エジェクタ式希釈器４０及び追加のエジェクタ式希釈器の臨界流及び圧力は、制御装置３４によって監視及び制御される。任意選択的に、エジェクタ式希釈器４０は、ＣＰＣ１２の外部部分に結合され、ＣＰＣ１２ブロックからエジェクタ式希釈器４０への熱伝達によってＣＰＣ１２ブロックを冷却する。一実施形態では、エジェクタ式希釈器４０がＣＰＣと一体化され、その結果、希釈器４０の機械的空気圧回路（図示せず）が完全に制約を受けるので、粒子損失についての固有の検証を必要としない。
【００３５】
分析システム１０は、試料流が飽和流と混合して凝縮器２４に流入する前に試料流中の半揮発性粒子を除去するための蒸発器管（図示せず）を含み得る。蒸発器は、約３００℃で動作させ、９５％超のテトラコンタン除去効率などの、９５％超の半揮発性粒子除去効率を有する。分析システム１０は、能動又は不作動構成にある蒸発器とともに動作させることができ、これによって、例えば、車両又はエンジンによる半揮発性ナノ粒子の間欠的な放出によって試験中に起こる誤った車両ＰＴＩ不良を報告する可能性の調査が容易になる。分析システム１０が、追加のエジェクタ式希釈器及び蒸発器管を有するように構成される場合、分析システム１０は、スイス連邦大気汚染規制法（ＯＡＰＣ：Ｏｒｄｉｎａｎｃｅ  ｏｎ  Ａｉｒ  Ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ  Ｃｏｎｔｒｏｌ）８１４．３１８．１４２．１のスイスＰＴＩ性能基準を満たす。
【００３６】
排気又は抽出ポンプ４４は、光学センサ１４において流体が分析された後にＣＰＣ１２から流体を引き出すために、分析システム１０に含まれる。抽出ポンプ４４は、必要に応じてＣＰＣ１２から排出を行うために、凝縮器２４の排出ポート４５に接続されてもよい。抽出ポンプは、電子制御装置３４と電子通信し、且つＣＰＣ１２の排気を行うために、分析システム１０内に流体流を補充するために、分析システム１０から排出を行うために、又は分析システム１０の種々の構成要素における圧力値を測定するために、オン／オフになるように動作可能である。
【００３７】
分析システム１０は、２つの別々の圧力を測定し、圧力の供給源を周期的に制御する（例えば、ポンプをオン又はオフにする）ことによって個々の圧力を特定するための、少なくとも１つの差圧センサ又は差圧変換器を含む。図２の図示の実施形態の分析システム１０は、２つの圧力測定ポート４６ａ及び４６ｂを有する差圧センサ４６を含む。２つの別々の圧力Ｐ１及びＰ２は、Ｐ１又はＰ２のいずれかの供給源の周期的サイクルでの圧力応答（Ｐ）を測定することによって特定することができる。圧力応答Ｐ＝Ｐ１＋Ｐ２であり、したがって、通常動作中にはＰ１＝Ｐ−Ｐ２であり、Ｐ１供給源がオフにされた状態では、Ｐ２＝Ｐである。希釈ポンプ４２又は排気ポンプ４４をオフにするのに必要な電子機器３４は、より簡単なものであり、且つ複雑な圧力変換器のコストの何分の１かのコストしかかからないので、差圧センサ４６は、圧力応答測定に必要な手段の複雑性を低減する。一方の圧力供給源の隔離から両方の測定までの間隔は、圧力信号の安定性によって決定し設定することができる。
【００３８】
図２を参照すると、圧力センサ４６は、排気ポンプ４４によって生じる負圧と、希釈空気ポンプ４２によって生じる正圧とを測定する。ポンプ４２、４４は、ポンプ制御装置電子機器３４を使用して制御される。通常動作時に、圧力センサ４６は、２つの供給源、希釈ポンプ４２と排気ポンプ４４との全圧差を報告する。希釈空気ポンプ４２が制御装置３４によって周期的にオフにされたときに、報告される圧力は、排気ポンプ４４によって生じる圧力のみである。その差は、通常動作時の希釈空気ポンプ圧を決定又は算出するために使用することができる。
【００３９】
図５の図示の実施形態では、微細毛細管５０を有する流量測定装置又は差圧センサ４８が流量測定のために含まれ、分析システム１０の種々の流路での個々の流量校正の必要性を低減又は排除する。個々の流量校正は、抽出孔５２などの、絞り孔の前後の圧力の測定によってガス流量が特定される場合に必要となることがある。皮下注射針などの、精密に製造された毛細管５０は、厳密な設計及び表面公差に合わせて製造され、校正の必要のない、圧力低下による流量測定のための厳密な制御公差を提供する。毛細管によって特定された流量５４は、対応する差圧低下とともに図５に示される。
【００４０】
分析システム１０によって分析すべき試料流（例えばエンジン排気）は、試料流用微細毛細管５８を含む試料用差圧センサ５６によって直接測定される。試料流は、試料センサ５６の試料用毛細管５８を使用して直接算出することができ、それによって、誤差の潜在的な原因を低減し、且つ分析システム１０の複雑性及びコストを低減する。
【００４１】
図２及び図６に図示するように、３方ソレノイド弁６０は、分析システム１０内の流体流を調整するために含まれ、且つ凝縮器２４における排出管４５などから、分析システム１０のＣＰＣ１２から排出を行うように適合されてもよい。３方弁６０は、排出流の実時間測定を不要にする。３方ソレノイド弁６０は、凝縮器２４からの流体を周期的に排出するように選択的に動作可能である（図６）。３方ソレノイド６０は、流路を「通常時開弁」位置６０ａから「通常時閉弁」位置６０ｂに周期的に切り替える（図６Ａ及び図６Ｂ参照）ように、制御装置３４によって制御される。３方ソレノイド弁６０は、ＣＰＣ１２の排出ポート４５への、抽出孔５２への、及び抽出ポンプ４４への流体接続部を含む。
【００４２】
ＣＰＣ１２からの抽出流及び排出流は、気相と液相の両方の作動流体を含む。図７の図示の実施形態では、分析システム１０は、気相及び液相の作動流体を抽出流及び排出流から回収するための、溶媒又は作動流体回収システム６４を含む。回収システム６４は、分析システム１０内で再使用されるように、回収した作動流体を作動流体タンク２０に戻すために、作動流体タンク２０に結合される。排気ポンプ４４は、溶媒回収システム６４の回収入口ポート６６に抽出流及び排出流を圧送する。回収システム６４は、回収システム６４から及び作動流体タンク２０からも蒸気又はガスを放出するように構成された通気孔６８を含む。回収システム６４は、通気孔６８を通して放出される蒸気の濃度を低下させて、作動流体の一部を回収し、全体の作動流体消費率を低下させる。図７に示すように、溶媒回収システム６４は、溶媒回収システム６４内部の作動流体蒸気を凝縮させるための、ペルチェ素子などの、冷却される熱交換器７０を含み、凝縮された作動流体は、重力によって落下して作動流体タンク２０に戻るように導かれる。
【００４３】
図７に図示する分析システム１０は、作動流体タンク２０内の作動流体のレベルを監視するための作動流体タンクレベルセンサ７２と、作動流体タンク２０に補充するための作動タンク充填ポート７４とを含む。タンクセンサ７２は、タンク２０内の作動流体のレベルを制御装置３４に伝達し、次いで、制御装置３４は、外部流体タンク（図示せず）から作動流体タンク２０に流体を引き込むことによって、流体タンク２０に補充するように作動流体ポンプ１８を制御してもよい。任意選択的に、制御装置３４は、作動流体タンク２０に補充する必要があるという信号又は警告を操作者に与えてもよい。分析システム１０に含まれる排出ポート７６は、使用者が、システム１０の洗浄又は移送などのために、作動流体タンク２０から排出を行うことを可能にする。
【００４４】
図３〜図４の図示の実施形態に示すように、分析システム１０及び１０ａは、分析システム１０の内部計器へのアクセス又は内部計器の取り外し若しくは分解なしに、分析システム１０内の種々の構成要素の手動又は自動校正を容易にするための、選択可能な校正ポート７８、８０を含む。選択可能なポート７８は、ＣＰＣ１２の校正のために構成され、且つ選択可能なポート８０は、ＣＰＣ１２とエジェクタ式希釈器４０の複合校正のために構成される。分析システム１０の校正は、既知の基準粒子数及び粒径を有するエアロゾル又は流体を導入することによって実施される。選択可能なポート７８、８０は、分析システム１０の校正の状態を特定して、間違って校正された分析システム１０を校正するように構成された校正システム８２に接続することができる（図８）。
【００４５】
校正システム８２は、校正マニホールド８４と、制御可能なデータ管理分析ソフトウェアシステム８６と、基準粒子発生器又は供給源８８と、基準粒子計数装置９０とを含む。データ管理システム８６は、基準粒子発生器８８及び基準粒子計数装置９０と電子通信する。校正マニホールド８４は、１つ又は複数の分析システム１０の選択可能なポート７８、８０のいずれかに結合される。校正システム８２に結合された各分析システム１０は、データ管理システム８６と電子通信する。校正システム８２は、分析システム１０を校正又は検証するようにデータ管理システム８６によって制御される。基準粒子発生器８８は、均一な粒子数及び粒径を有する校正用流体流を発生させる。基準粒子計数器９０は、校正用流体流を分析して、粒子発生器８８によって発生させる均一な粒子数及び粒径を決定する。校正システム８２及び校正マニホールド８４は、１つの基準粒子発生器８８及び１つの基準粒子計数装置９０を利用して複数の装置又はシステム１０を同時に校正又は検証するように構成されてもよい。
【００４６】
分析システム１０は、流量校正又は検証のためのガスセンサシステム９２を含む。ガスセンサシステム９２は、百万分率単位で既知の粒子密度を有する基準ガスの基準流中の粒子数を特定することによって、流れ、測定、校正、及び検証を提供することが可能である。ガスセンサシステム９２は、システム流量の確認を容易にするためのガスセンサ９４を含む。ガスセンサ９４は、０〜１０，０００ｐｐｍなどの、百万分率（ｐｐｍ）単位の測定範囲を有する。例示的な実施形態では、既知濃度の二酸化炭素が、基準ガス入口又は流入ポート９６を通して分析システム１０内に基準ガスとして導入される。基準ガス中の粒子は、エジェクタ式希釈器４０からの希釈空気と混合されるか又は希釈空気で希釈され、次いで、さらにＣＰＣ飽和器２２からの飽和空気で希釈されるか又は飽和空気と混合される。基準ガスの濃度は、エジェクタ式希釈器４０の排気又はＣＰＣ排気５２において測定することができ、測定される濃度は、希釈比と分析システム１０の流れとを検証するために、既知濃度の基準ガスを用いて算出することができる。例えば、１０，０００ｐｐｍの既知濃度を有する基準二酸化炭素ガスが、流入口９６を通してシステム内に導入され、エジェクタ式希釈器４０（システム電子機器モジュール３４によって測定され、算出され且つ報告される希釈比２０：１を報告している）を通過する場合、エジェクタ式希釈器４０の排気における濃度は、５００ｐｐｍ（１０，０００ｐｐｍ÷２０）であるべきである。ＣＰＣ５２の排気出口では、ＣＰＣ試料流がＣＰＣ飽和器２２に流入するときに、ＣＰＣ試料流量５４を飽和器流量で割った比率だけ、二酸化炭素の濃度がさらに低減される。ＣＯ２センサ９４での測定した濃度が、エジェクタ式希釈器４０の排気又はＣＰＣ排気５２における予想される二酸化炭素濃度の所定の限度内にある（例えば＜５％）場合に、流れ及び分析システム１０が検証される。
【００４７】
二酸化炭素センサ９４は、エンジンに（例えば、車両の排気管に）挿入された試料採取プローブ９８が正確に挿入されていること（図９参照）を確認するように適合されてもよい。試料採取プローブ９８は、試料採取ライン又はホース９９を介して分析システム１０に試料ラインの真空入力ポート１１２において接続し、排気管などの、供給源から試料流体（例えば、エンジン排気）を収集するか又は受け取る。試料採取プローブ９８は、分析システム１０が試料流入ポート１１２を通して試料流体を直接受け取ることが可能となるように、分析システム１０から着脱可能である。エンジンは、相当量の二酸化炭素（例えば、ストイキ燃焼条件下で動作するガソリンエンジンから１６体積％）を出す。試料採取プローブ９８が車両のテールパイプに完全又は正確に挿入されない場合、測定される二酸化炭素は、周囲空気との混合によって予想される二酸化炭素よりも少なくなる。これによって、エンジン排気粒子がより清浄な周囲空気で希釈されるので、適切に実施された排気分析に合格しない「汚染源となる車両」が生み出される可能性がある。二酸化炭素センサ９４は、車両を「合格」させるために使用者が意図的に試料採取プローブ９８を車両のテールパイプに十分に挿入しないことを防止するための不正防止装置を提供する。試料プローブ９８が排気管に適切に挿入されており、希釈した排気試料を受け入れていないことを検証するために、二酸化炭素センサ９４によって測定された二酸化炭素の濃度と予想されるガス濃度（例えば１６％）とを比較することができる。
【００４８】
ＣＰＣ１２内の光学粒子計数器１４は、レンズ（図示せず）を有する光学室１１４と、レーザダイオード光源３０ａとを含む。粒子計数器１４において粒子が計数される前に粒子を成長させるために分析システム１０内の作動流体が使用されるので、不所望に作動流体が光学室１１４内に移動するか又は移送される場合があり、その結果、光学系が汚染される可能性がある。分析システム１０が傾いたり又は誤った向きなることによって、分析システム１０がオンにされている間に作動流体が光学室１１４に圧送又は移送されることがある。分析システム１０には安全又は転倒防止ユニット１１６が含まれる。安全ユニット１１６は、３軸容量性微小加速度計（例えば、ＮＸＰ  ＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓのＮＭＡ８４５１）（図示せず）を含む。安全ユニット１１６は電子制御装置３４と通信し、加速度計からの出力が制御装置３４に送信され、制御装置３４が計器の傾斜角度を換算又は算出する。算出した角度が所定の安全角度又は設計された向きよりも大きい場合には、制御装置３４が「保護モード」を発動してポンプ１８、４２及び４４をオフにする。安全な動作角度は、垂直軸線から任意の方向に最大４０度であってもよい。保護モードは、分析システム１０の損傷及びコストがかかる可能性がある修理を未然に防止する。
【００４９】
作動流体の状態又は純度は、分析システム１０の適切な動作のために極めて重要である。汚染又は不適切な充填によって、例えば、作動流体タンク２０に間違った流体を充填することによって、分析システム１０内の作動流体が劣化するか又は無駄になる場合がある。そのような状況において、リザーバ流体レベルセンサ３２又は作動流体タンク液面センサ７２のいずれかの、レベルセンサは、依然として、分析システム１０が動作可能な状態にあることを報告することができる。汚染された又は誤った作動流体を用いて分析システム１０を動作させることで、分析システム１０の種々の構成要素が損傷を受ける可能性がある。検討される他の選択肢に加えて、抽出孔５２に近接して配置されたガス純度センサ４８を用いて抽出流中の作動流体の濃度を測定すること、又は密封された不正開封防止作動流体タンク２０を提供すること、又は作動流体タンク２０に補充するために使用される外部補充容器用の密封された不正開封防止ボトルを提供することを含む、作動流体の状態を監視及び制御するための選択肢が検討される。
【００５０】
ＣＰＣ１２の飽和器２２は、飽和器２２の内部空隙を満たす飽和材料又は芯１１８を含む。芯１１８は、作動流体リザーバ２６から作動流体を吸収し、結果として、飽和器２２を通って流れる周囲空気が芯１１８を通過して、吸収された作動流体が、飽和器２２内の周囲空気を飽和させるために利用可能となる。芯１１８は、周囲空気により高い過飽和度をもたらすように、飽和過程での効率を高める。
【００５１】
均等論を含む特許法の原理に従って解釈される、添付の特許請求の範囲によってのみ限定されるように意図される、本発明の原理から逸脱することなく、具体的に説明した実施形態の変更及び修正を行うことができる。排他的な特性又は特権が特許請求される本発明の実施形態は、以下のように定義される。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１１Ａ】
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【国際調査報告】
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