(57)【要約】【課題】従来の平行光線型の微粒子濃度測定装置は、レンズなどの光学素子を必要とするため、装置の小型化が困難であったので、より構造が簡易でコンパクトとなる測定装置が求められていた。【解決手段】筒状のシリンダの内壁に弗化マグネシウムなどの無指向性の拡散反射体を塗布ないし貼り付け、シリンダの一端に青色ダイオードなどの発光体を設け、シリンダの他端にフォトダイオードなどの受光体を配置し、シリンダの中に排気ガスなどの被測定ガスを導入する。【選択図】　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒状のシリンダの内壁を無指向性の拡散反射体となした積分シリンダと、この積分シリンダの一方の端部に設けられた発光体と、前記積分シリンダの他方の端部に設けられた受光体とを備え、積分シリンダ内に被測定ガスを導入し、ガス及びガス中の微粒子による光の吸収もしくは散乱に基づいてガス及び微粒子の濃度を測定することを特徴とするガス及び微粒子濃度測定装置。
【請求項２】
拡散反射体がシリンダ内壁に塗布または蒸着された弗化マグネシウム材からなることを特徴とする請求項１記載のガス及び微粒子濃度測定装置。
【請求項３】
拡散反射体が、シリンダ内壁に挿入され、表面に弗化マグネシウム材を付着された紙製円筒体であることを特徴とする請求項１記載のガス及び微粒子濃度測定装置。
【請求項４】
発光体が青色発光ダイオードであることを特徴とする請求項１記載のガス及び微粒子濃度測定装置。
【請求項５】
内壁を無指向性の拡散反射体となした積分容器と、この積分容器の一部に設けられた発光体と、前記積分容器の一部とは異なる位置に設けられた受光体とを備え、積分容器内に被測定流体を導入し、流体中の微粒子による光の吸収もしくは散乱に基づいてガス又は微粒子の濃度を測定することを特徴とするガス又は微粒子濃度測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ガスセンサ又は煙センサに関するもので、特にディーゼル車の排気ガスを検知しまたは測定するのに好適なガス及び微粒子濃度測定装置に関するものである。
【０００２】
空気中を漂っている１０μｍ以下の粉塵（粒子）は浮遊粒子状物質（ＳＰＭ）と呼ばれ、呼吸器疾患、呼吸器系感染症の悪化、あるいは杉花粉症などを引き起こす元凶となっているが、中でも、ディーゼル車の排気ガスに含まれるディーゼル粒子（ＤＥＰ）のうち、直径が２．５μｍ以下の微小粒子は、ＰＭ２．５と呼ばれ、死亡率や呼吸器疾患の増加と大きな相関関係を有するといわれており、これの低減は健康問題のみならず社会問題ともなってきている。
【０００３】
【従来の技術】
これらの排気ガスを検出し、あるいは分析するためには精度の良い測定器が必要である。従来、自動車の排気ガスの検出ないしは測定は、排気ガスを紙フィルタなどで濾しとってこれを分析する手法が多く取られてきたが、分析に時間がかかるという欠点があり、特にディーゼル車などの排気ガス中の微粒子濃度を現場で迅速に測定することは困難であった。
【０００４】
このため、排気ガスを導入する測定空間内に、赤外光などの光ビームを走らせ、
光の吸収又は散乱による光エネルギの減衰を排気ガス中の微粒子濃度の尺度として用いるような光学的測定方式が導入されるようになったが、既知の測定システムはすべて、伝達された光を検出するために、光のビームを平行にし集中させるためのレンズシステムを使用しており、その結果、センサ構造が一般に大きく複雑となるという欠点を有していた。また、平行ビーム方式では、同一微粒子濃度の被測定ガスであっても、被測定空間における微粒子の濃度分布により測定値が異なるという問題があった（特許文献１参照）。
【０００５】
これを図２〜図４を参照して説明すると、従来の通常のシリンダＵＣの一端に赤外線発光ダイオードＬＥＤを置き、他端にフォトダイオードＰＤを置いてシリンダＵＣ内に光ビームを走らせておく。この光ビームはＬ０１〜Ｌ０４で示すように一般に平行光である。そして、被測定ガスである排気ガスＥＸＧを図示のようにシリンダＵＣ内に導くと、発光ダイオードＬＥＤからの発射光は、ガス中の微粒子により吸収されあるいは散乱させられるので、フォトダイオードＰＤへ到達する光エネルギは発射光エネルギより少なくなっており、その減少度はガス中の粒子数に関係する。従って発射光の照度を一定にしておけば、フォトダイオードでの受光エネルギから微粒子濃度を求めることが可能となる。
【０００６】
ところが、従来の測定装置においては、シリンダＵＣ内の全領域における平均の微粒子濃度が同じであっても、微粒子濃度の濃い領域が図３の（１）に示すように入口付近で発生した場合と、図４の（２）で示すように出口付近で発生した場合とでは、測定値に差異を生じる。これは、光線ビームとして平行光線を使用しているために、入口付近で光が吸収・散乱されて散乱光の反射が測定路全長で繰り返される場合と、出口付近までエネルギを維持した平行光線が出口付近で吸収・散乱される場合とで、出力光のエネルギに差異がでてくることに因るものと思われるが、レンズなどを用いてこれを是正しようとしてもこの差異は無くならない。
【０００７】
また、上記の通常のシリンダＵＣを用いた従来の平行ビーム方式の測定装置によって被測定ガス中の検出対象ガス成分による光の吸収、散乱に基づいてガス濃度を測定する場合も、上述の微粒子濃度測定の場合と同様に、シリンダ内の被測定空間におけるガス濃度分布により測定値が異なるという問題があった。
【０００８】
一方、ランプやＬＥＤなどの光源の全光束や出力の測定を行ういわゆる積分球は、米国のラブスフェア社等から市販されており、反射率と伝達特性の測定のために非常に一般的に使用されていて、その理論上あるいは実験上の特徴は、多くの文献によって知られている（特許文献２参照）。
【０００９】
ところが、積分球の概念を円筒体に応用した、いわば積分シリンダ（ＩＣ）はほとんど知られておらず、また、ＩＣに基づいた微粒子濃度測定装置ないしはガス濃度測定装置に関する研究は過去の文献では発見されていない。
【００１０】
【特許文献１】
特開平９−３０４２６７号公報（段落００２５等）
【特許文献２】
特開平６−２０１５８１号公報（段落０００２及び０００９）
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は、測定用の光を集光するために、積分シリンダを使用して、上述した欠点のない、廉価でコンパクトな光学的微粒子濃度測定装置及びガス濃度測定装置を提供することを課題とするものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、前記の課題は、筒状のシリンダの内壁を無指向性の拡散反射体となした積分シリンダを設け、この積分シリンダの一方の端部に発光体を、他方の端部に受光体を設け、積分シリンダ内に被測定ガスを導入することにより達成される。
【００１３】
無指向性の反射体の例としては、シリンダ内壁に弗化マグネシウムを蒸着又は塗布するか、あるいは弗化マグネシウムを塗布した紙を貼り付けるようにすることができる。測定精度を粗くしてよい場合には、反射係数の大きな単なる白紙を貼り付けても目的が達せられることがある。
【００１４】
発光体としては、種々のものを採用することができるが、発光ダイオード、特に青色ダイオードを用いるのが好適である。測定感度は波長の４乗分の１に比例して変化するので、青色ダイオード等の波長の短い光源を用いると特に大きな測定感度を得ることができる。
以下に本発明の実施態様を図面に基づいて説明する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の実施例を示すもので、積分シリンダＩＣは、通常のシリンダＵＣの内壁に反射体ＲＥＦを備えている。青色発光ダイオードとするのが良い発光ダイオードＬＥＤは、積分シリンダＩＣの一端に取りつけられ、フォトダイオードＰＤがシリンダの他端に設けられている。反射体ＲＥＦは、シリンダ内壁に弗化マグネシウムのような無指向性の拡散反射材を塗布するか、あるいはこれが塗布された紙などを貼付することによって形成することができる。なお、積分シリンダは筒状であればよく、円筒状以外に角筒状などの形状としてもよい。
【００１６】
この反射体を設けることによって、発光ダイオードからの発射光は色々な角度での反射を繰り返すことになるが、実験によれば、１５回から２０回程度の反射を繰り返した状態で、シリンダの内壁のほぼ全面が均一な発光体と化したような状況となる。
【００１７】
検出器であるフォトダイオードＰＤに到達するトータルの光束は、ＬＥＤから直接来る光束とＩＣ内壁の全表面から反射されてくる光束から成る。ここで、シリンダ内の光束に対する壁反射の貢献度合を知るために、壁の照明分布を調べた。
【００１８】
図５は、そのための実験設備の概要を示すもので、ほぼ３ｍ立方の密閉容器の中に、排気ガスを模擬するために深鍋にステアリン酸溶液を入れて下からガスヒータで加熱してなる煙発生器をセットし、発光ダイオードＬＥＤとフォトダイオードＰＤとを対向させ、電源、信号増幅器、ディスプレイユニットなどからなる測定装置にて測定を行った。
【００１９】
発光ダイオードＬＥＤは、４６０ｎｍの中心波長を持つものを使用した。検出器として、シリコンフォトダイオードを用い、塗布した拡散材は、ホワイトフラット・インテリア・ハウスペイントなる市販の弗化マグネシウム含有品で４６０ｎｍの波長での反射率は０．８７２のものを用いた。
【００２０】
密閉容器内で発生したステアリン酸煙粒子の濃度Ｎは、蒸発したステアリン酸の質量ｍに比例し、Ｖを容器の容積、ｋを変換効率定数とすると、
Ｎ＝ｋｍ／Ｖ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（１）
で表わされる。
【００２１】
ＬＥＤからＰＤまでの距離Ｄにわたって光ビームがステアリン酸蒸気を通過するとき，気体または溶液による光の吸収は濃度に依存するというベールの法則が保たれていると仮定すると、光の透過率は、
Ｉ／Ｉ０＝ｅｘｐ（−σＮＤ）＝ｅｘｐ（−μｍＤ）　　　（２）
で表わされる。ここで、μ＝σｋ／Ｖ［ｍｇ−１ｍｍ−１］であり、経験的に定められる。
【００２２】
μ値を決定するために、−ｌｏｇ（Ｉ／Ｉ０）／Ｄのステアリン酸質量ｍへの依存性を測定し、これを最適直線と共にプロットしたのが図６である。勾配からμが決定される。
【００２３】
図５の装置を用いて、センサ出力を蒸発ステアリン酸と光束変化量（減衰量）ΔＱの関数として測定した結果をディジタル値として図７に示してある。センサ出力は煙濃度の一時的な変動につれて振れるので、これを図７のエラーバーで示す。測定平均値は○印で示してある。この図から、センサ出力とステアリン酸蒸発質量ｍとの間の直線的な関係が見られる。測定したμ値で計算した結果も図に実線で示されている。煙密度の実験的不安定性を考慮すれば、測定結果と計算値とは良い相関を有しているといって良い。
【００２４】
煙濃度、すなわち微粒子濃度がいかに検出器の照度に影響を与えるかは、シリンダ内壁の多重拡散反射に起因する積分シリンダ内部の光束の変移過程を分析することにより、理論的に解明される。
【００２５】
すなわち、まず煙が無い状態で発射光の壁での反射回数と照度との関係を計算した結果を図８に示す。照度は反射回数の増加と共に増加し、ｎ＞約３０で安定状態となっている。
【００２６】
最初と１００回目の反射時の照度がＩＣの入口からの距離にどのように依存するかを、数値的に計算した結果が図９に示されている。最初の入射ビーム（発射光）は使用されるＬＥＤのビーム発散量に特有な距離依存性を示し、ｚ＝約４ｍｍで最大ピークを持つ。１００回目の反射光は、事実上安定状態の光となっているが、ｚ＝約７ｍｍで最大ピークを持ち、その後ｚの増加と共に減衰していく。このｚ依存性はほとんど最初の発射光の壁での照度分布に依存する。最初の発射光と１００回目の反射光との間の照度の差は、直接ビーム構成に対するＩＣに起因する光束収束効果の指標となる。
【００２７】
次に煙が存在する状態をシミュレーションするために、モデル煙サンプルとしてステアリン酸を用いて同様な計算が導かれた。実験条件と合わせるため、
σＮ＝μｍ＝０．００００３９ｍ［ｍｍ−１ｍｇ−１］
ｍは蒸発させられたステアリン酸の質量
と仮定した。
蒸発ステアリン酸質量ｍの値を０から２５ｍｇに変化させると、減衰定数σＮは０から０．０００９８ｍｍ−１に変化した。図１０は、異なる質量ｍに対するシリンダ入口からの距離ｚの関数として計算された壁照度を、照度のピーク値近辺での照度の部分拡大図と共に示している。図の左上の長方形部分を拡大したものが図の右上枠内に示されている。この図から、いかに煙の濃度が照度分布に影響を与えるかを評価することができる。壁照度の変化は、検出器の表面に到達する光束の量の変化をもたらす。
【００２８】
煙センサについてのＩＣ効果を評価するために、ＩＣを除去することによって直接ビームのみの煙検出装置を作り、この装置による測定結果を図１１に示した。図１１と図７とを比較すれば明らかなように、このＩＣＳＳは、直接ビーム構成よりも高い検出感度を有している。これは明らかにＩＣＳＳが一連の反射光線ビームが煙を通して行ったり来たりし、その結果光ビームのトータル光路長が増加し、測定感度が増大したことによる。
【００２９】
さらに、図１１に見られるように、直接光ビーム構成は煙密度に対して直線性に乏しく、低い煙密度ほどその傾向が激しい。これは直接ビーム構成のセンサ出力は局所的な煙密度に敏感だからであろう。それゆえ、煙密度に何らかの位置的な不均一性が存すると、それがセンサ出力に敏感に影響するのである。これに対して、ＩＣＳＳでは、ＩＣ装置の空間的積分特性に起因して、煙密度の位置的不均一性は空間的に平均化され、センサ出力は煙密度の空間的変動に対して安定となる。かくして、ＩＣＳＳは測定感度を増大させるだけでなく、センサ出力の線形性と安定性をも改善するのである。
【００３０】
また、本発明による積分シリンダを用いた測定装置により、被測定ガス中の微粒子濃度の測定だけでなく、被測定ガス中の検出対象ガス成分による光の吸収、散乱に基づいてガス濃度の測定も可能である。本発明による測定装置では、前記のガス濃度測定の場合も、微粒子濃度測定の場合と同様に、筒状のシリンダの内壁を無指向性の拡散反射体となした積分シリンダを用いていることにより、積分シリンダの内壁のほぼ全面が均一な発光体と化したような状態とすることができるので、シリンダ内におけるガス濃度分布状況に拘わらず高い安定性でもって濃度測定を行うことができる。
【００３１】
また、本発明のような積分シリンダを用いた測定装置では、上述のようなガス中の微粒子濃度の測定だけでなく、液体中の微粒子濃度の測定も可能である。すなわち、本発明による測定装置の構成において、積分シリンダ内に被測定ガスの代わりに被測定液体を導入し、液体中の微粒子による光の吸収もしくは散乱に基づいて液体中の微粒子の濃度を測定するようにすることができる。
【００３２】
また、本発明による測定装置における筒状の積分シリンダの代わりに、筒状以外の形状の積分容器を用いることも可能である。すなわち、内壁を無指向性の拡散反射体となした筒状以外の形状の積分容器を積分シリンダの代わりに設けて、この積分容器の一方の端部に発光体を備え、前記積分容器の他方の端部に受光体を備えた構成とすることもできる。前記積分容器は、上記のような内壁を無指向性の拡散反射体とした容器であれば、例えば、球状、多面体状など任意形状のものでよく、筒状の積分シリンダの場合と同様に、ガス濃度及び微粒子濃度の位置的不均一性は空間的に平均化され、測定出力はガス濃度及び微粒子濃度の空間的変動に対して安定となる。
【００３３】
なお、特に上記の積分容器を、その両端に配置される発光体と受光体とが直接対向しないような屈曲した形状の容器、例えば、中空の筒をＵ字状あるいはドーナツ状に折り曲げた形状であってその両端に発光体及び受光体が配置される端面を有する構成の容器とすれば、発光体から受光体に直接到達する光束はなくなり、積分容器の内壁面から乱反射されてくる光束のみが受光体に到達するようになるので、ガス濃度及び微粒子濃度の位置的不均一性は空間的により平均化されたものとなり、測定出力はガス濃度及び微粒子濃度の空間的変動に対してより安定したものとなる。
【００３４】
なお、本発明による測定装置の積分シリンダ内に導入される被測定ガス中に検出対象ガス成分と微粒子とが並存する場合には、光の吸収、散乱への寄与は微粒子の方が極めて大きいので、測定装置の測定出力は、ほぼ微粒子濃度に対応したものとなる。
【００３５】
【発明の効果】
本発明によるガス及び微粒子濃度測定装置は、前述のように、従来の平行ビーム方式の測定装置におけるシリンダの代わりに、筒状のシリンダの内壁を無指向性の拡散反射体となした積分シリンダを用いるようにしたことにより、積分シリンダの内壁のほぼ全面が均一な発光体と化したような状態とすることができるので、従来の測定装置におけるような、シリンダ内におけるガス濃度あるいは微粒子濃度の分布状況により測定値が異なるという問題が解決され、特に高い安定性を有するものとなっている。
【００３６】
しかも、本発明によるガス及び微粒子濃度測定装置は、従来の平行ビーム方式の測定装置とは異なり、光ビームを平行に集中させるためのレンズシステムなどを要しないため、廉価で、かつ、コンパクトなポータブル測定装置とすることができる。
【００３７】
また、本発明によるガス及び微粒子濃度測定装置は、発光体として青色発光ダイオード等の波長の短い光源を用いることにより、特に大きな測定感度を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例の断面図
【図２】従来の実施例の断面図
【図３】従来の実施例における問題点を説明するための断面図
【図４】同じく従来の実施例における問題点を説明するための断面図
【図５】本発明の効果を試験するための実験装置配置図
【図６】ステアリン酸質量と光の減衰係数との関係を示す特性線図
【図７】ステアリン酸質量と光束減衰量との関係を示す特性線図
【図８】壁の照度と反射回数との関係を示す特性線図
【図９】発射光口からの距離と照度との関係を示す特性線図
【図１０】発射光口からの距離と１００回反射光の壁照度との関係を示す特性線図
【図１１】積分シリンダ無しの場合のステアリン酸質量と光束減衰量との関係を示す特性線図
【符号の説明】
ＩＣ　　積分シリンダ
ＵＣ　　通常のシリンダ
ＬＥＤ　発光ダイオード
ＰＤ　　フォトダイオード
ＥＸＧ　排気ガス
【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】
2004117155.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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