(57)【要約】【課題】汚れたサンプルガスを流したときにも光学面が汚れることを防止でき、汚れによる光量低下を抑えて、分析計の感度を長期間にわたって保つと共に、たとえ幾らかの汚れが生じたとしてもこれに影響されることのない安定した分析を行うことができる光学系および光を用いた分析計を提供する。【解決手段】サンプルガス流路１１内のサンプルガスＥｘに対して光Ｌ０  を照射すると共にこのサンプルガスＥｘを通った光Ｌ１  ，Ｌ２  を検出する光学系２３であって、サンプルガス流路１１内にこの流路１１を狭くすることでサンプルガスＥｘの流れを速くし、このサンプルガスＥｘの流れに伴った減圧部２４を形成すると共に、内部に光学面１４ａ〜１４ｃを備えた筒状体１３ａ〜１３ｃを設け、この光学面１４ａ〜１４ｃとサンプルガス流路に臨む部分１３ｄとの間の筒状体１３ａ〜１３ｃ内を介して前記減圧部２４に清浄ガスＡを流入可能とする隙間２０を設けてなる。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
サンプルガス流路内のサンプルガスに対して光を照射すると共にこのサンプルガスを通った光を検出する光学系であって、
サンプルガス流路内にこの流路を狭くすることでサンプルガスの流れを速くし、このサンプルガスの流れに伴った減圧部を形成すると共に内部に光学面を備えた筒状体を設け、
この光学面とサンプルガス流路に臨む部分との間の筒状体内を介して前記減圧部に清浄ガスを流入可能とする隙間を設けてなることを特徴とする光学系。
【請求項２】
前記隙間を通る清浄ガスの流れに流量制限を設ける流量制御弁を設けた請求項１に記載の光学系。
【請求項３】
前記隙間に連通する部分に外気から清浄ガスを生成するためのフィルタを設けた請求項１または２に記載の光学系。
【請求項４】
前記隙間を被覆して清浄ガスを導入可能とすると共に異物が入らないように保護するカバーを有する請求項１〜３の何れかに記載の光学系。
【請求項５】
サンプルガスに前記光を照射する発光部と、この発光部の光路上に配置された第１の受光部と、この光路上の一部分を観測するように配置された第２の受光部とを有し、かつ、各光学面がサンプルガス流路の中心から対称となる位置関係に設置されてなる請求項１〜４の何れかに記載の光学系。
【請求項６】
サンプルガスを流通するサンプルガス流路と、
このサンプルガス流路内のサンプルガスに対して光を照射すると共にこのサンプルガスを通った光を検出する光学系とを有する分析計であって、
この光学系が、前記サンプルガス流路内にこの流路を狭くすることでサンプルガスの流れに伴った減圧部を形成する筒状体と、
この筒状体内に配置された光学面と、
この光学面とサンプルガス流路に臨む部分との間の筒状体内を介して前記減圧部に清浄ガスを流入可能とする隙間とを設けてなることを特徴とする分析計。
【請求項７】
サンプルガスを流通するサンプルガス流路と、
このサンプルガス流路内のサンプルガスに対して光を照射すると共にこのサンプルガスを通った光を検出する光学系とを有する分析計であって、
この光学系が、
前記サンプルガス流路内に光を照射する発光部と、
この発光部の光路上に配置された第１の受光部と、
この光路上の一部分からのサンプルガスによる散乱光を観測するように発光部の光路から所定の角度を形成する位置に配置された第２の受光部と、
前記発光部から出射する光および両受光部に入射する光を透過すると共に発光部および両受光部をサンプルガスから隔離するようにそれぞれ設けてなる光学面とを有し、かつ、
各光学面がサンプルガス流路の中心から対称となる位置関係に設置されており、両受光部によって受光される光の強度比から光学面の汚れの程度に依存しないサンプルガスの濃度を求める演算処理部を設けたことを特徴とする分析計。
【請求項８】
前記演算処理部がガスによる光の吸収の無い状態で第１の受光部において受光した光の強度と、
所定濃度のガスによる光の吸収を起こした状態で第１の受光部および第２の受光部においてそれぞれ受光した光の各強度と、
このときの濃度とから演算して、
前記両受光部によって受光される光の強度比からサンプルガス濃度を求めるための補正係数を求める請求項７に記載の分析計。
【請求項９】
前記演算処理部がガスによる光の吸収の無い状態で第１の受光部において受光した光の強度と、サンプルガスによる光の吸収を起こした状態で第１の受光部および第２の受光部においてそれぞれ受光した光の各強度から演算して、前記両受光部によって受光される光の強度比からサンプルガス濃度を求めるための補正係数を求める請求項７または８に記載の分析計。
【請求項１０】
前記発光部から前記受光部までの間の光路を確保する開口部を有すると共に、発光部から出射する光で各受光部の測定対象となる光以外の不要な光を遮断するための遮蔽部材を設けてなる請求項７〜９の何れかに記載の分析計。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学装置および分析計に関するものであり、より詳細には、サンプルガスを直接的に測定する場合に、サンプルガスに面する光透過窓などの光学面が汚れることを防止すると共に、この光学面が汚染したとしても高精度な分析が可能である光学装置および分析計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
【特許文献１】特開平１１−１８３３７９号公報
【特許文献２】特許第３２６３０８５号公報
【０００３】
従来より、光を用いた分析計は、サンプルガスに光を照射すると共にサンプルガスを通った光（透過光や散乱光）を検出する光学系を備えてなる。また、このサンプルガスの光学系は例えばサンプルガスに光を照射する発光部と、この発光部から出射してサンプルガスを透過した光を受光する受光部と、発光部および受光部がサンプルガスに直接接触しないようにサンプルガスから隔離すると共に光を透過させる光透過窓からなる光学面とを有してなる。
【０００４】
光を用いた分析計の一例としては、ディーゼルエンジンの排気ガスやエンジンケース内のクランクシャフト焼きつき前に発生するオイルミスト等の粒状物質を検知する光散乱式の濃度分析計などが考えられる。また、従来のオイルミスト等の粒子状物質の測定方法としては、光学的に測定する光学測定方式が主であって、この光学測定方式には光透過吸収式および光散乱式の２つがある。
【０００５】
図９は光透過吸収方式の濃度分析計の例を示している。図９において、４１は発光部である発光ダイオード（ＬＥＤ）などの光源、４２は受光部であるフォトダイオードなどの検出器であり、４７は光源から出射した光を受光部へ反射するミラーである。また、４３は発光部４１から出射する光Ｌｐ１  と受光部４２に入射する光Ｌｐ２  を透過すると共に発光部４１，受光部４２および反射ミラー４７をサンプルガスから隔離した状態に保つ光学面（光透過窓）、４４はサンプルガスＳをＴ字状に流すように構成されたサンプル供給管である。
【０００６】
図９に示す例の場合、発光部４１から受光部４２までの間の粒子状物質の有無を光吸収による透過光Ｌｐの減衰によって検知する。このとき、光透過窓４３の汚れによる光の減衰が生じると、粒子状物質の光吸収により透過光Ｌｐの減衰と同様の信号変化となり、測定誤差を発生することがあった。
【０００７】
そこで、この光透過窓４３の汚れを防止するために、前記サンプル供給管４４内の光透過窓４３の前部にそれぞれ開孔４４ａを形成し、この開孔４４ａの外側にファン４５を配置することで、清浄ガス（大気中の空気）を強制的に吹きつけて、この光透過窓４３の周囲をパージすることで、エアカーテンを形成することが行われている。
【０００８】
特許文献１では前記ファン４５に代えて、車両の走行に伴って生じる風を引き込むためのベルマウス状の空気とり入れ口を設けることが提案されており、車両が走行している状態で、かつ、風を受けることができる状態では、ファン４５のようなものを回さなくても光透過窓４３の周囲にエアーカーテンを形成することが可能となる。
【０００９】
一方、図１０は、特許文献２に詳細に開示されているように、光散乱方式の濃度分析計では前記発光部４１（ＬＥＤ３３）の光軸Ｌｐ上から前記受光部４２（フォトトランジスタ３４ｂ）を外して、粒子サイズによって斜め前方または斜め後方に生じる側方散乱Ｌｐｓを、発光部４１の前方または後方に配置された受光部４２によって検知する例を示している。なお、発光部４１に対面する位置には受光強度を一定に保つためのフィードバック制御を行なう受光部４６（フォトトランジスタ３４ａ）を設けている。なお、（）内は特許文献２における名称および符号を示している。
【００１０】
この方法では、発光部４１によって発光する光の強度を、受光部４６によって受光できる光の強度が一定になるように、フィードバック制御によって調整する制御回路Ｃを有しているので、光学面４３（管体３２）の汚れによる影響を小さくすることができる。また、サンプルガスＳに粒子状物質が存在しない場合は原理的には発光部４１から出射した光が側方散乱を検知する受光部４２には入射しないと考えられるので、光学面４３の汚れが微量の粒子状物質によって生じる側方散乱に大きな影響を与えるものとはならず、感度の多少の変化はあるものの粒子状物質の検知には影響されにくいというメリットがある。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
前記図９に示すように構成された分析計では、別置きのファン４５を必要としているので、分析計の構成が大型化すると共に複雑になり、製造コストが引き上げられるという問題があった。さらに、ファン４５を駆動するために動力を必要としているので、その消費電力が増加することは避けられず、車両のバッテリに負担をかけるので車載するための可搬型分析計や、オンボード型の分析計の形成が困難であった。
【００１２】
そこで、特許文献１に示されるように構成することで、車両が走行している状態で、かつ、風を受けることができる状態では、ファン４５のようなものを回さなくても光学面４３の周囲にエアーカーテンを形成することができるので、分析計の消費電力を低く抑えることが可能となる。
【００１３】
ところが、特許文献１に示されるような構成は車両の走行に伴って生じる周囲雰囲気との相対的な移動に伴って生じる大気中の空気の流れ（風）を利用してエアーカーテンを形成するので、車両が停止している状態におけるアイドリング状態や追い風を受けている状態では、このエアーカーテンが形成されないという問題があった。また、シャシダイナモ上の車両から排出される排ガスをサンプルガスとして測定する場合にも車両の移動がないのでエアカーテンが形成されないという問題があった。
【００１４】
そして、受光面４３に汚れが発生するとサンプルガスＳを流していない状態のベース光による出力が変動し、粒子状物質が正常に検知できないことがあった。そこで、受光面４３が汚れてしまった場合には、汚れによる光の減衰をキャンセルするために、サンプルガスＳの代わりに別途用意された清浄ガスなどを供給して定期的な校正を行なう必要があった。
【００１５】
一方、図１０に示した特許文献２のように光学系とフィードバック制御回路Ｃを組み合わせた複雑な構成による補正を行なうことにより、光学面４３の汚れ４３ａによる影響をできるだけ小さくすることが行われている。
【００１６】
しかし、粒子状物質が導入される空間は一般的に小さな容積であるから、発光部４１の光軸Ｌｐと、この光軸Ｌｐ上の一部からの散乱光Ｌｐｓの光軸を交差させるようにしても、たとえば光学面４３（空間内壁）に付着した汚れ４３ａによる散乱光Ｌｐｅなどによって、粒子状物質が存在しない場合であっても、受光部４２に多くの光が入射することがあった。
【００１７】
また、受光部４２の位置関係と、フィードバック制御に用いる受光部４６の位置関係が異なるので、一部拡大図に示すように、受光部４２に入射する光Ｌｐｓが汚れ４３ａを通過する距離ｄ１  と、受光部４６に入射する光Ｌｐが汚れ４３ａを通過する距離ｄ２  が異なったり、光学面４３の表面に入射する角度θｐが異なるために反射率が変わるので、これらの違いによる光Ｌｐ２  ，Ｌｐｓの減衰程度は異なるものであり、これを補正することができなかった。加えて、一般的に排気ガスにはオイルミストなどの光学面４３に付着しやすい汚れ成分が含まれているので、汚れ４３ａは直ぐに形成されるので、クリーンエアなどを用いて極頻繁に校正を行なう必要が生じていた。
【００１８】
本発明は、上述の点を考慮に入れてなされたものであって、その目的は、汚れたサンプルガスを流したときにも光学面が汚れることを防止でき、汚れによる光量低下を抑えて、分析計の感度を長期間にわたって保つと共に、たとえ幾らかの汚れが生じたとしてもこれに影響されることのない安定した分析を行うことができる光学系および分析計を提供することである。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、第１発明の光学系は、サンプルガス流路内のサンプルガスに対して光を照射すると共にこのサンプルガスを通った光を検出する光学系であって、サンプルガス流路内にこの流路を狭くすることでサンプルガスの流れを速くし、このサンプルガスの流れに伴った減圧部を形成すると共に内部に光学面を備えた筒状体を設け、この光学面とサンプルガス流路に臨む部分との間の筒状体内を介して前記減圧部に清浄ガスを流入可能とする隙間を設けてなることを特徴としている（請求項１）。
【００２０】
つまり、筒状体を例えばサンプルガス流路内に突出させることで、この部分の断面積を他の部分の断面積より小さな面積とする（狭くする）ことができるから、この筒状体を設けた部分におけるサンプルガスの流速は他の部分の流速より速くなる。そして、ベルヌーイの定理により流速の速い部分の圧力が低くなって減圧部を形成する。
なお、ベルヌーイの定理は以下の式（１）に示すものである。
０．５ｑ２  ＋Ｐ／ρ＋ｇｚ＝一定                          …  式（１）
但し、ｑは速度、Ｐは圧力、ρは密度、ｇは重力加速度、ｚは高さである。
【００２１】
さらに、前記減圧部を形成することにより、上記隙間から清浄ガス（大気中の空気）を光学面とサンプルガス流路に臨む部分との間の筒状体内を介して前記減圧部に流入させる（引き込む）ような流れを生じさせることができる。つまり、サンプルガスの流れそのものを用いて光学面の前面に清浄ガスによるエアカーテンを形成でき、これによって光学面が直接サンプルガスに触れることがなくなるので、サンプルガスが流れるときには常時光学面をパージすることができ、その汚れを効果的に防止できる。なお、前記光学面は光を透過する光透過面としても、光を反射する反射面とすることも可能である。
【００２２】
また、光学面の前面に清浄ガスによるエアカーテンを形成するための構成は、サンプルガス流路に清浄ガス流入用の隙間（細孔）を設けた筒状体（光学面や発光部，受光部のケース）を臨ませるだけの簡易な構造であるから、製造コストを削減できるだけでなく、動力を全く必要としておらず、それだけ省エネルギに寄与できる。これは、とりわけ分析計を車両に搭載するような小型かつ可搬型のものが要求されるときに極めて有用である。
【００２３】
なお、前記隙間はこの光学面とサンプルガス流路に臨む部分との間の筒状体内を介して前記減圧部に清浄ガスを流入可能とするものであるから、例えば、この隙間を光学面を保持する筒状体の光学面とサンプルガス流路に臨む部分との間に設けられた開孔とすることで容易に形成できる。あるいは、この隙間を光学面の外周と筒状体の内周面の間に形成した場合には、隙間は光学面の外周にほぼ均等に設けることができるので、この光学面の表面にエアカーテンを確実に形成できる。
【００２４】
前記隙間を通る清浄ガスの流れに流量制限を設ける流量制御弁を設けた場合（請求項２）には、サンプルガスの流量が極めて大きくなった場合にも、光学面の表面に清浄ガスによるエアカーテンを形成するための流量を制限でき、この清浄ガスがサンプルガス流路内に多量に流れ込むことを防止できる。従って、清浄ガスの流れがサンプルガス流路内のサンプルガスの流れを圧迫することがなく、光学系によるサンプルガスの検出感度を一定に保つことができる。
【００２５】
前記隙間に連通する部分に外気から清浄ガスを生成するためのフィルタを設けた場合（請求項３）には、窒素ガスや不活性ガスなどの特別な清浄ガスの供給源を必要としておらず、装置の小型化が図れランニングコストを低く抑えることができる。
【００２６】
前記隙間を被覆して清浄ガスを導入可能とすると共に異物が入らないように保護するカバーを有する場合（請求項４）には、この光学系を例えば車両の排気管などの異物が多数存在する環境に設置する場合おいても、隙間に異物が挟まるなどしてこれを閉鎖することがなくなる。
【００２７】
ところが、このような汚れ防止機能付きの光学系（筒状体）も設置場所や隙間の大きさ、挿入深さによる減圧量や経年変化等によって汚れが付着する場合も考えられる。このような場合の対応について考える。
【００２８】
サンプルガスに前記光を照射する発光部と、この発光部の光路上に配置された第１の受光部と、この光路上の一部分を観測するように配置された第２の受光部とを有し、かつ、各光学面がサンプルガス流路の中心から対称となる位置関係に設置されてなる場合（請求項５）には、第１の受光部を用いた測定によって透過光の検出を行うことができ、第２の受光部を用いた測定によって散乱光の検出を行うことができる。また、各光学面がサンプルガス流路の中心から対称となる位置関係に設置されているので、各光学面は同じ条件でサンプルガス流路に面することになり、たとえこれが汚れることがあったとしても同程度に汚れることになる。つまり、透過光と散乱光の両方の測定値を組み合わて演算することで、光学面に汚れが生じることがあってもこの汚れによる影響をキャンセルする演算を行うことが可能となり、より高精度な分析を行うことができる。
【００２９】
第２発明の分析計は、サンプルガスを流通するサンプルガス流路と、このサンプルガス流路内のサンプルガスに対して光を照射すると共にこのサンプルガスを通った光を検出する光学系とを有する分析計であって、この光学系が、前記サンプルガス流路内にこの流路を狭くすることでサンプルガスの流れに伴った減圧部を形成する筒状体と、この筒状体内に配置された光学面と、この光学面とサンプルガス流路に臨む部分との間の筒状体内を介して前記減圧部に清浄ガスを流入可能とする隙間とを設けてなることを特徴としている。（請求項６）
【００３０】
したがって、上述の分析計はサンプルガスの流れを用いて前記式（１）に示したベルヌーイの定理を用いた減圧部を形成し、これによって清浄ガスを光学面とサンプルガス流路に臨む部分との間の筒状体内を介して前記減圧部に流入できるので、外部からの動力を一切用いることなく、サンプルガスが流れるときには常に光学面の前面に清浄ガスによるエアカーテンを形成できる。
【００３１】
第３発明の分析計は、サンプルガスを流通するサンプルガス流路と、このサンプルガス流路内のサンプルガスに対して光を照射すると共にこのサンプルガスを通った光を検出する光学系とを有する分析計であって、この光学系が、前記サンプルガス流路内に光を照射する発光部と、この発光部の光路上に配置された第１の受光部と、この光路上の一部分からのサンプルガスによる散乱光を観測するように発光部の光路から所定の角度を形成する位置に配置された第２の受光部と、前記発光部から出射する光および両受光部に入射する光を透過すると共に発光部および両受光部をサンプルガスから隔離するようにそれぞれ設けてなる光学面とを有し、かつ、各光学面がサンプルガス流路の中心から対称となる位置関係に設置されており、両受光部によって受光される光の強度比から光学面の汚れの程度に依存しないサンプルガスの濃度を求める演算処理部を設けたことを特徴としている。（請求項７）
【００３２】
すなわち、第１の受光部を用いた測定によって透過光の検出を行うことができ、第２の受光部を用いた測定によって散乱光の検出を行うことができる。また、各光学面がサンプルガス流路の中心から対称となる位置関係に設置されているので、各光学面に対する汚れの付着状況は全て同じであると仮定することができ、各光学面における汚れによって生じる減衰率ｄは全て同程度生じると考えることができる。したがって、透過光と散乱光の両方を用いてその強度比から濃度を演算することで、光学面に汚れが生じることがあってもこの汚れによる影響を除算によってキャンセルすることができ、これによって理論上光学面の汚れによる影響を完全にキャンセルした、より高精度な濃度分析を行うことが可能となる。
【００３３】
前記演算処理部がガスによる光の吸収の無い状態で第１の受光部において受光した光の強度と、所定濃度のガスによる光の吸収を起こした状態で第１の受光部および第２の受光部においてそれぞれ受光した光の各強度と、このときの濃度とから演算して、前記両受光部によって受光される光の強度比からサンプルガス濃度を求めるための補正係数を求める場合（請求項８）には、前記光学面の汚れによる光の減衰が大きくなったとしても、これに応じた補正係数を求めることで確実にその影響を除去する演算処理を行うことができる。
【００３４】
前記演算処理部がガスによる光の吸収の無い状態で第１の受光部において受光した光の強度と、サンプルガスによる光の吸収を起こした状態で第１の受光部および第２の受光部においてそれぞれ受光した光の各強度から演算して、前記両受光部によって受光される光の強度比からサンプルガス濃度を求めるための補正係数を求める場合（請求項９）には、前記光学面の汚れによる光の減衰が各光学面によって異なってきたとしても、これに応じた補正係数を求めることで確実にその影響を除去する演算処理を行なうことができる。
【００３５】
前記発光部から前記受光部までの間の光路を確保する開口部を有すると共に、発光部から出射する光で各受光部の測定対象となる光以外の不要な光を遮断するための遮蔽部材を設けてなる場合（請求項１０）には、発光部からの光の照射に伴って例えばサンプル流路の内壁面から生じる散乱光などの不要な光が測定感度に悪影響を及ぼすことを防止できる。
【００３６】
とりわけ、サンプルガスが流れる部分の容積が比較的小さい場合には、サンプルガス流路の内壁面によって多くの散乱光が生じるが、第１の受光部および第２の受光部がこの不要な散乱光によって誤動作することを防止できる。また、遮蔽部材によって発光部からの光が直接的に第２の受光部に入射することを防止することも可能である。つまり、前記測定対象となる光以外の不要な光とはサンプルガス流路の内壁面による散乱光や発光部からの第２の受光部に直接的に入射する光などを示している。なお、サンプルガス流路内や遮蔽部材の表面は前記光を吸収するように黒体または黒体に近い光の吸収を可能とするように、黒に着色されたものであることが望ましい。
【００３７】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の分析計１の全体的な構成を示す図である。図１において、２は分析計１を搭載する測定対象となる車両、３はこの車両２のエンジン、４はエンジン３からの排気ガスＥｘを排出するための排気管、５は排気管４上に設けた触媒、６は消音器、７は排気管（テールパイプ）である。
【００３８】
本例に示す分析計１は車載型であり、演算処理部８と、前記排気管７の下流端に接続される測定部９と、この測定部９を安定的に制御すると共にこの測定部９からの測定信号を演算処理部８に出力するコントローラ１０とを有している。なお、以下の説明において、本発明の分析計１は車載型である例を示しているが、本発明はこの点に限定されるものではない。
【００３９】
また、本発明の分析計１は演算処理部８と測定部９とコントローラ１０を別体にすることに限定されるものではなく、一体型の装置としてもよい。この場合、演算処理部８をマイクロコンピュータとして可搬型とすることも可能である。
【００４０】
図２，３は前記測定部９の構成を拡大して示す断面図である。図２，３において、１１は前記排気管７の下流端に着脱自在に連設されるサンプルガス流路、１２はサンプルガス流路１１を例えば締付けによって取付ける取付け機構、１３ａ〜１３ｃはサンプルガス流路１１の適所に開設した孔１１ａ〜１１ｃに挿入されてサンプルガス流路を狭くするように幾らか内側に突出させるように固定してなる筒状体、１４ａ〜１４ｃは各筒状体１３ａ内に形成された光透過窓（光学面）である。
【００４１】
また、１５は光透過窓１４ａによってサンプルガス流路１１内の排気ガス（サンプルガス）Ｅｘに光Ｌ０  を照射する例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）からなる発光部、１６はこの発光部の光路Ｌａ上に配置されて透過光Ｌ１  を受光する例えばフォトダイオード（ＰＤ）からなる第１の受光部、１７はサンプルガス流路１１の中心Ｏで光路Ｌａの一部分からの散乱光Ｌ２  を観測するように光路Ｌａから所定の角度θを形成する光路Ｌｓ上の位置に配置された例えばフォトダイオード（ＰＤ）からなる第２の受光部である。
【００４２】
そして、１８は発光部１５から受光部１６，１７までの間の光路Ｌａ，Ｌｓを確保する開口部１８ａを有すると共に、発光部１５から出射する光で各受光部１６，１７の測定対象となる光Ｌ０  〜Ｌ２  以外の不要な光を遮断する遮蔽部材であり、１９は両受光部１６，１７からの出力を増幅することで安定した信号をコントローラ１０に出力するプリアンプ、２０は各光学面１４ａ〜１４ｃよりもサンプルガス流路１１内側の筒状体１３ａ〜１３ｃに開設された開孔からなる隙間、２１は各隙間２０を被覆して異物が入らないように保護するカバー、２２はこのカバー２１内に収められたエアフィルタである。
【００４３】
すなわち、本例の分析計１は３つの筒状体１３ａ〜１３ｃと、この筒状体１３ａ〜１３ｃにそれぞれ配置された発光部１５と２つの受光部１６，１７と、これらの発光部１５および受光部１６，１７を排気ガスＥｘから隔離するようにそれぞれ設けた光学面１４ａ〜１４ｃと、隙間２０と、カバー２１と、フィルタ２２とを有する光学系２３を設けている。
【００４４】
図４は前記光学系２３の構成を概略的に示し、前記光学面１４ａ〜１４ｃを汚さないようにするための本発明の構成と、その動作を説明する。
【００４５】
図４に示すように、筒状体１３ａ〜１３ｃ（図示は筒状態１３ａ，１３ｂのみである）を設けていない部分におけるサンプルガス流路１１の流路面積Ｓ１  よりも、筒状体１３ａ〜１３ｃを内側に所定深さｈだけ突出させた部分における流路面積Ｓ２  が狭くなり、これによって排気ガスＥｘは矢印Ｆ１  に示すように筒状体１３ａ〜１３ｃの間の部分において絞られるように流れる。このため、筒状体１３ａ〜１３ｃの間における流速Ｖ２  がその他の部分における流速Ｖ１  よりも速くなる。
【００４６】
したがって、前記筒状体１３ａ〜１３ｃの間においては前記式（１）に示したベルヌーイの定理で表わされているように、その圧力Ｐ２  がその他の部分における圧力Ｐ１  よりも低くなる。この圧力Ｐ２  の低下は排気ガスＥｘの流量が多ければ多いほど著しくなり、外気圧よりも低い減圧部２４となる。これにより、大気中空気が矢印Ｆ２  に示すように隙間２０を通って筒状体１３ａ〜１３ｃ内に導かれ、光学面１４ａ〜１４ｃとサンプルガス流路１１に臨む部分１３ｄの間の筒状体１３ａ〜１３ｃを介して減圧部２４側に流入する。
【００４７】
式（１）のベルヌーイの定理で表されているように、減圧部２４の圧力Ｐ２  低下は速度比Ｖ２  ／Ｖ１  の二乗に比例して生じるので、前記深さｈに合わせて変化する前記面積比Ｓ２  ／Ｓ１  が適宜の大きさになるように調整する。また、各筒状体１３ａ〜１３ｃの外周には孔１１ａ〜１１ｃに対して螺合するための雄螺子を形成しており、各筒状体１３ａ〜１３ｃを突出させる深さｈは全て同じとなるように設定する。さらに、減圧部２４における圧力Ｐ２  が大気圧よりも低い場合には、前記深さｈを０とすることも可能である。
【００４８】
なお、大気中空気はエアフィルタ２２によって清浄化されているので、これが清浄ガスＡとして筒状体１３ａ〜１３ｃ内に流入し、各光学面１４ａ〜１４ｃの表面に清浄ガスＡによるエアカーテンを形成する。
【００４９】
つまり、光学面１４ａ〜１４ｃは排気ガスＥｘ自体の流れに伴って流れる清浄ガスＡの流れによって汚れから保護されるので、光学面１４ａ〜１４ｃは排気ガスＥｘに含まれるオイルミスト等の粒状物質の付着から確実に保護される。また、清浄ガスＡの流れを形成するために電動ファンのような動力を必要とする部材がないので分析計１の消費エネルギを必要最小限に抑えることができる。これは、分析計１を車載型または携帯型とするときにバッテリにかける負担を小さくする点で効果的である。
【００５０】
図５は前記隙間２０の構成を示す図である。隙間２０は図５（Ａ）に示すように筒状体１３ａ〜１３ｃの周囲に少なくとも２つ設けることで矢印Ｆ３  に示すように光学面１４ａ〜１４ｃの全体に広がって、その表面にエアカーテンを形成する。また、図５（Ｂ）に示すように隙間２０を筒状体１３ａ〜１３ｃの周囲に３つ以上設けることで、清浄ガスＡは光学面１４ａ〜１４ｃの全体により万遍なく広がる。
【００５１】
次に、再び図３に戻って、前記光学面１４ａ〜１４ｃが幾らか汚れることがあっても正確な濃度分析を行なうための演算方法を説明する。
【００５２】
始めに、本例に示す光学系２３は、前記筒状体１３ａ〜１３ｂをサンプルガス流路１１の中心Ｏに対して対称となるように設けているので、全ての筒状体１３ａ〜１３ｂは同じ条件でサンプルガス流路１１内の排気ガスＥｘの流れに接触する。したがって、各筒状体１３ａ〜１３ｂ内に設けた光学面１４ａ〜１４ｃの汚れ状況も全て同じ条件であると考えることができる。
【００５３】
また、光学面１４ａ，１４ｂの表面は光軸Ｌｓに対して垂直に配置され、光学面１４ｃは散乱光Ｌｓに対して垂直に配置されているので、この光学面１４ａ〜１４ｃの表面における汚れは全て同じ程度の光の減衰を生じさせると考えることができる。さらに、発光部１５から受光部１６，１７までの間の光路Ｌａ，Ｌｓ上には各光Ｌ０  〜Ｌ２  を透過させると共に、不要な光Ｌｅを遮断するための遮蔽部材１８を設けているので、例えば、発光部１５から直接的に受光部１７に入射するような不要な光Ｌｅやサンプルガス流路１１の内壁面における反射光などの不要な光を遮蔽部材１８によって遮蔽して、測定精度を高めることができる。
【００５４】
加えて、前記コントローラ１０は発光部１５が安定した所定の光量の光を所定の周波数で断続的に出射するように制御すると共に、各受光部１６，１７によって検出した光の強度信号に含まれる交流成分のうち前記周波数で変動する信号を取り出してこれを各測定値Ｉ０  〜Ｉ２  として出力するものである。これによって、外部から入射する光による影響やその他のノイズ成分を確実に除去することができ、さらなる精度向上を達成できる。
【００５５】
そして、本例に示す分析計１は排気ガスＥｘに含まれるオイルミスト等の粒状物質を検知する光散乱式の濃度分析計である。したがって、この濃度分析計１は例えばその製造時に、光の吸収率がμである所定の濃度Ｃの粒状物質（測定対称）を含む校正ガスをサンプルガス流路１１内に供給し、この校正ガスを透過した状態における受光部１６の測定値を透過光Ｌ１  の測定値Ｉ１  、受光部１７の測定値を散乱光Ｌ２  の測定値Ｉ２  とし、オイルミストを含まない清浄ガスをサンプルガス流路１１内に供給した状態における受光部１６の測定値をベース光（または出射光）Ｌ０  の測定値Ｉ０  とする。
【００５６】
このとき受光部１６が測定した各測定値Ｉ０  ，Ｉ１  の間には、オイルミストによる透過光の減衰を式（２）に示すランバート・ベアの法則に基づく関係が成り立っている。また、排気ガスＥｘに含まれるオイルミストなどの汚染物質は、近年特に低濃度になっているので、濃度Ｃが極めて低濃度であるときには、この式（２）は直線的に近似でき、式（３）に示すように表すことができる。
Ｉ１  ＝Ｉ０  ×ｅｘｐ（−μＣＬ）                          …  式（２）
Ｉ１  ＝Ｉ０  ×（１−Ｃ／β）                              …  式（３）
但し、Ｌは光路長、βは比例係数である。
【００５７】
つまり、濃度Ｃは不透過率（オパシティ＝１−Ｉ１  ／Ｉ０  ）に比例するとして式（４）に示すように表すことができる。そして、この光学系２３におけるβの値を校正ガスに用いたオイルミストの濃度Ｃと、前記測定値Ｉ０  ，Ｉ１  から求めることができる。したがって、濃度と透過率の関係をあらかじめ求めておけば、比例係数βを決定して、不透過率から直接的に粒子上物質濃度を求めることができる。
Ｃ＝β（１−Ｉ１  ／Ｉ０  ）                                …  式（４）
【００５８】
他方、散乱光Ｌ２  の強度は受光部１７の測定値Ｉ２  から求めることができ、この散乱光Ｌ２  の強度Ｉ２  も粒子上物質の濃度Ｃが低い領域においてはやはり直線的に近似することができ、散乱光Ｌ２  の強度Ｉ２  は濃度Ｃに比例する。
【００５９】
ところで、窓の汚れがある場合は、不透過率で濃度Ｃを求めると、窓の透過率が汚れによって低下するために、ベース光の減少と、透過光Ｌ１  の感度の低下によって誤差が著しく大きくなる。一方、散乱光Ｌ２  の強度Ｉ２  で濃度Ｃを求める場合は、窓の汚れは散乱光強度Ｉ２  の低下により、感度のみが低下することとなる。
【００６０】
そこで、本発明の分析計１は、粒子状物質の濃度Ｃを以下の式（５）に示すように、透過光Ｌ１  の測定値Ｉ１  とこの光路Ｌａ上の一部分から生じる散乱光Ｌ２  の測定値Ｉ２  との比から求める演算を演算処理部８によって行う。
Ｃ＝αＩ２  ／Ｉ１                                          …  式（５）
但し、αは補正係数である。
【００６１】
なお、既に詳述したように、本発明の光学系２３において、各光学面１４ａ〜１４ｃがサンプルガス流路１１の中心Ｏから対称となる位置関係に設置されてなるので、第１の受光部１６と第２の受光部１７の出力Ｉ１  ，Ｉ２  が各光学面１４ｂ，１４ｃによって同じ比率で減少する。つまり、各測定値Ｉ１  ，Ｉ２  に光学面光学面１４ａ〜１４ｃの汚れによる減衰ｄが生じている状況であったとしても、両光学面１４ｂ，１４ｃによって生じる減衰が同じであるとして、前記式（５）において汚れによる減衰率ｄの影響を計算に入れたとしても式（６）に示すように、光透過窓１４ａ〜１４ｃの汚れによる光損失項を消去でき、理論上その影響を全く無くすことができる。
Ｃ＝αｄＩ２  ／（ｄＩ１  ）＝αＩ２  ／Ｉ１                    …  式（６）
【００６２】
なお、前記式（５）における濃度Ｃは式（４）における濃度Ｃと同じであるから、両式（４），（５）の関係から、式（５）における補正係数αの大きさを式（７）に示すように求めることができる。
α＝β（Ｉ１  ／Ｉ２  −Ｉ１  ２  ／（Ｉ０  Ｉ２  ））              …  式（７）
【００６３】
そして、この補正係数αは光透過窓１４ａ〜１４ｃが幾らか汚れることがあったとしても汚れ方が同じであるかぎり、変わることのない値である。したがって、前記演算処理部８はこの補正係数αを記憶して、測定対象である排気ガスＥｘの濃度を式（５）によって算出するときに用いる。
【００６４】
以上詳述したように、本発明の分析計１においては、粒子状物質の濃度が０から検知すべき粒子状物質濃度までの範囲において、上記式の関係が成り立つように光路長Ｌを決めて定数αを求めておくことにより、仮に光透過窓１４ａ〜１４ｃが汚れるようなことがあったとしても窓の汚れに対してもフレッシュエアなどを用いて校正を行なう必要を無くすことができる。
【００６５】
長期的な使用によって各光透過窓１４ａ〜１４ｃの汚れ方に差が生じてきた場合でもフレッシュエアとサンプルガスを用いれば、式（７）かαを再度求め直すことができる。このため現場では扱いにくい校正ガスを用いる必要もない。
【００６６】
なお、上述した例において、エアフィルタ２２は周囲の空気から不純物を取り除いて清浄ガスＡとして使用可能とするものであるが、このエアフィルタ２２が隙間２０を通る清浄ガスＡの流れに流量制限を設ける流量制御弁（調圧弁）としての機能を有するものであることが望ましい。これによって、清浄ガスＡの流れは所定流量に制限されるので、清浄ガスＡの流れが排気ガスＥｘの流れを圧迫することを防止でき、前記光路長Ｌを正確に保つことができる。
【００６７】
図６，７は本発明の別の光学系２５の例を示す図である。図６はこの光学系２５の全体の断面図、図７は筒状体１３ａ〜１３ｃ内の構成を示す断面図である。これらの図６，７において、図１〜５と同じ符号を付した部分は同一または同等の部分であるから、その詳細な説明を省略する。
【００６８】
また、図６，７において、２６は発光部１５および受光部１６（受光部１７も含む）の外周と筒状体１３ａ，１３ｂ（筒状体１３ｃも含む）の間に形成された隙間であり、２７はこの隙間２６を形成すると共に発光部１５および受光部１６，１７を筒状体１３ａ〜１３ｃ内に保持する係止片である。
【００６９】
本例のように構成することにより、清浄ガスＡは矢印Ｆ５  に示すように光学面１４ａ〜１４ｃの周囲の隙間２６からムラなく流れ込み、この光学面１４ａ〜１４ｃの全面を粒子状物質などの汚染物質から、より確実に保護することができる。
【００７０】
図８は本発明の別の光学系２８の全体構成を示す断面図である。図８において、図１〜７と同じ符号を付した部分は同一または同等の部分である。本例において、２９はサンプルガス流路１１の内周面に形成した絞り部であって、この絞り部２９の最も絞られた部分で、前記筒状体１３ａ〜１３ｃに対応する位相角に開口を開設して形成される共にこれに連接される筒状体３０ａ〜３０ｃ（図示は３０ａ，３０ｂのみ）を設けている。
【００７１】
本例のように構成された光学系２８は矢印Ｆ６  に示すように排気ガスＥｘの流れを絞り部２９の形状にあわせて徐々に絞り込むことが可能となり、これによって乱流の発生を可及的に小さくすることができる。すなわち、矢印Ｆ７  に示す清浄ガスＡの引き込みを安定して行うことが可能であると共に、安定した分析を行うことが可能となる。
【００７２】
上述した各例においては、サンプルガスの一例として車両２からの排気ガスＥｘを例示しており、この排気ガスＥｘに対する光の照射に伴って生じる透過光と散乱光を用いてこの排気ガスＥｘに含まれる粒子状物質の濃度Ｃを測定する濃度分析計１を例示して説明しているが、本発明はこの点に限定されるものではない。すなわち、本発明の分析計１は粒径分布計のように回折光を検出する場合も同様の効果を得ることができる。他にも、ＦＴＩＲなどのその他の分析手法を用いたものであってもよい。
【００７３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の光学装置および分析計によれば、電力のような別途の動力を一切用いることなく、サンプルガスの流れだけを利用して光学系の測定感度に影響を及ぼす光学面の状態をその汚れから効果的に保護できると共に、たとえ光学面に幾らかの汚れが生じたとしても簡単な補正によって高精度の分析を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の分析計の全体的な構成を示す図である。
【図２】前記分析計の光学系の全体構成を示す断面図である。
【図３】前記光学系の一部を別の角度から切断して示す断面図である。
【図４】前記光学系の動作を説明する図である。
【図５】前記光学系の要部を拡大して示す図である。
【図６】別の光学系の構成および動作を説明する図である。
【図７】図６に示す光学系の要部を拡大して示す図である。
【図８】別の光学系の構成および動作を説明する図である。
【図９】従来の濃度分析計における光学系の構成を示す図である。
【図１０】従来の別の濃度分析計における光学系の構成を示す図である。
【符号の説明】
１…分析計、８…演算処理部、１１…サンプルガス流路、１３ａ〜１３ｃ…筒状体、１３ｄ…サンプルガスに臨む部分、１４ａ〜１４ｃ…光学面、１５…発光部、１６…第１の受光部、１７…第２の受光部、１８…遮蔽部材、１８ａ…開口部、２０…隙間、２１…カバー、２２…フィルタ（流量制御弁）、２３，２５，２８…光学系、２４…減圧部、Ａ…清浄ガス、Ｃ…濃度、Ｅｘ…サンプルガス、Ｌ０  …照射光、Ｌ１  …透過光、Ｌ２  …散乱光、Ｌｅ…不要な光、Ｌａ，Ｌｓ…光路、α…補正係数。
【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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