JPH0843288A - 水蒸気補償を有する赤外線ベースの窒素酸化物センサ - Google Patents

水蒸気補償を有する赤外線ベースの窒素酸化物センサ

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JPH0843288A
JPH0843288A JP7022087A JP2208795A JPH0843288A JP H0843288 A JPH0843288 A JP H0843288A JP 7022087 A JP7022087 A JP 7022087A JP 2208795 A JP2208795 A JP 2208795A JP H0843288 A JPH0843288 A JP H0843288A
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absorption
radiation
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Lane H Rubin
レーン・エイチ・ルビン
Michael D Jack
マイケル・ディー・ジャック
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Santa Barbara Research Center
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、走行している自動車12の排気ガス
14内のＮＯ濃度を正確に決定することのできるシステム
を提供することを目的とする。 【構成】 排気ガス14を通過する光路に沿って複数の波
長を有する放射線20を導く電磁放射線源18と、排気ガス
14内のＮＯの存在によって第１の波長帯域内の放射線吸
収量を示す出力32a を有する第１のセンサ32と、光路に
沿った水蒸気の存在によって第２の波長帯域内の放射吸
収量を示す出力32b を有する第２のセンサ32と、第１の
センサと第２のセンサの出力に入力が結合されて第２の
波長帯域内の示された吸収量と、予め定められたＮＯ吸
収変更ファクターに応じて第１の波長帯域内における示
された吸収量を補償するプロセッサ38等の手段とを具備
していることを特徴とする。ＮＯ吸収変更ファクターは
検索テーブル42に記憶されている。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は特定の化学物質に反応す
るセンサ、特に自動車、煙突等からの放出される窒素酸
化物の濃度を検出する光センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】環境汚染は都市で特に深刻な問題であ
る。この汚染の主な原因は自動車からの排気ガス放出で
ある。公的の基準は自動車の排出汚染物質の許容量を調
整するために設定され、自動車がこれらの基準を満たす
ことを確実にするためにある地域では定期的な検査また
は“スモッグのチェック”が必要とされる。しかしなが
ら、高速道路で走行する自動車では多数がこの基準に従
っていない。異常に多量の汚染は比較的少数の自動車に
より発生されていることが確実である。汚染率の高い自
動車は周期的な排気ガス検査が必要とされる地域でさえ
も走行することができる。古い自動車と特定のタイプの
自動車は検査を免除されている。
【０００３】新型の自動車で必要とされる汚染防止装置
は規定レベル内に自動車排気物中の汚染を減少する目的
を達成する。しかしながら、汚染防止装置はエンジン性
能を低下させることを知っている自動車所有者もある。
【０００４】この理由で、機械的技術知識のある自動車
所有者の中には自動車を必須の検査に合格する条件に適
合するように必要なサービスを行って検査に合格し、そ
の後で、汚染防止物質装置を取外したり或いは自動車を
通常通りの使用に戻して汚染放出の増加を生じさせる。
【０００５】全体的に固定した装置で行われる規定され
た周期的検査に依存する汚染防止プログラムはそれ故、
不適切である。実際に規定された放出基準に違反して動
作している自動車を識別し、これらが基準に従わせるか
または動作を休止させることを要求することが必要であ
る。
【０００６】自動車排気ガスの遠隔感知用システムは文
献（ANALYTICAL APPROACH IR LongPath Photometry: A
Remoto Sensing Tool for Automotive Emissions 、Ana
lytical Chemistry、1989年、61、617A）に記載されて
いる。赤外線ビームは自動車の排気ガスを通ってビーム
を二酸化炭素（ＣＯ2 ）チャンネルと一酸化炭素（Ｃ
Ｏ）チャンネルに分割するビームスプリッタを含んだセ
ンサユニットに入射される。ＣＯ2 チャンネルのビーム
は二酸化炭素のスペクトル吸収領域を分離する帯域通過
フィルタを通過して光電池の検出器に入射される。ＣＯ
チャンネルのビームは回転ガスフィルタホイールを通過
し、その半分はＣＯと水素（Ｈ2 ）の混合を含んでお
り、残りの半分は窒素（Ｎ2 ）を含んでいる。フィルタ
ホイールから、ＣＯチャンネルのビームは、一酸化炭素
のスペクトル吸収領域を分離する別の帯域通過フィルタ
を通って別の光電池検出器に入射する。検出器の出力信
号は各波長の自動車排気ガスを透過するときそれに従っ
て変化し、従ってガス内のＣＯとＣＯ2 の濃度も変化す
る。フィルタホイールのＣＯ／Ｈ2 部分は基準出力を提
供し、Ｎ2 部分は一酸化炭素出力を提供する。
【０００７】ビームを通過する自動車がなく、ビームが
排気ガスの感知前に自動車により阻止される状態でベー
スラインセンサ出力が得られる。これらの値は排気ガス
が実際に感知されるとき検出器の出力を較正するための
基準として使用される。検出器出力は各波長での透過度
に対応し、自動車排気ガス中のＣＯ2 とＣＯの相対的割
合を決定するために予め定められた関数に従って処理さ
れる。このシステムは移動している自動車の排気ガスの
組成を感知する能力をもち汚染自動車を識別するのに有
効であると言われている。しかしながら、これには次の
ようないくつかの欠点がある。
【０００８】例えば、２つの通路中のビームが同一方法
で検出器に入射されることを確実にするために正確な整
列が要求される。小さい不整列エラーは測定の正確性を
非常に劣化する。２つの光電池検出器は互いに隔離され
ており、温度調節用に個々に冷却ユニットを必要とす
る。検出器の他の特性における小さな不一致および温度
の微小な差もまた非常に測定の正確性を劣化させる。
【０００９】回転フィルタホイールは、高価で機械的多
重機能を行うための機械ユニットである。フィルタ中の
ガス濃度は正確な測定値を得るために正確な値で維持さ
れなければならない。各新しいチャンネルが別のビーム
スプリッタと検出器等を必要とし、前述の問題を含むの
で、システムはまた付加的な汚染物質を感知するために
拡張するのが困難である。
【００１０】1993年10月９日出願の“Optical Sensing
Apparatus For Remotely MeasuringExhaust Gas Compos
ition of Moving Motor Vehicles ”と題する米国特許
出願第08/119,788号明細書は前述の問題を克服するＩＲ
ベースのシステムを開示している。このシステムは一酸
化炭素、二酸化炭素、炭化水素を含んだ排気ガス成分の
成分要素のスペクトル吸収ピークに対応する異なった波
長に感知性である複数の近接して間隔を隔てられている
光検出器を使用する。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、既知の
タイプのシステムによって全く感知されず、または不正
確にしか感知できない１つの特定の有毒汚染物質は窒素
酸化物（ＮＯ）である。
【００１２】ＦＴＩＲのような標準的な赤外線技術はＮ
Ｏが吸収する約５．２μｍと６．２μの領域の吸収帯域
において水吸収から得られる重大な妨害のために大気中
のＮＯ量を定めることができない。水吸収帯域を減算し
ようとする試みは、ＦＴＩＲが自然に走査しなければな
らない全てのスペクトル範囲にわたって水吸収の影響が
モデル化されることができるために正確性が制限され、
適切ではない。
【００１３】少なくとも一部は水蒸気吸収を補償する要
求と非常に正確な温度制御を行う要求のためにオーバー
トーン技術を使用する別のＩＲレーザ方法もまた適切で
はない。
【００１４】別の方法は２７０ｎｍ周辺のスペクトル領
域のＵＶ吸収を利用する。ＮＯ吸収はこのスペクトル領
域では強力であるが、自動車を移動するためのこの方法
の応用は自動車の排気ガス中に存在する自然の汚染物
質、即ち芳香性ベンゼンとトルエンからの妨害により困
難である。典型的な排気ガスで放出される多数の芳香物
とそれによって生じる吸収は芳香物の補償を非常に困難
にし測定の正確性に制限を与える。
【００１５】排気ガス汚染検出システムが持運び可能で
あることを要求される場合、および高速道路または普通
道路のような道路上を走行している自動車の監視が望ま
しいときのように理想的な環境でないときに動作する能
力をもつことを必要とするときに多数のこれらの問題は
複合されるものと考えなければならない。
【００１６】それ故、本発明の目的は、前述の種々の方
法において固有の前述および他の問題を克服するガス中
のＮＯ量を正確に定めるためのシステムを提供すること
である。本発明のさらに別の目的は、ＩＲベースのシス
テムと、排気ガス中のＮＯ濃度の量を定めるための方法
を提供することであり、そのシステムおよび方法は周囲
雰囲気の水蒸気と排気ガス中に存在する水蒸気とを補償
する。
【００１７】本発明のさらに別の目的は、排気ガス放出
システムの較正に使用するために通路長積を変化するた
めの能力を有する密封されたガスセルを提供することで
ある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】前述および他の問題は克
服され、本発明の目的は移動する自動車の排気ガスのよ
うな排気ガス中のＮＯ濃度を定量的に測定する赤外線セ
ンサと集積された狭帯域フィルタの特有の組合わせによ
り達成される。本発明はＮＯによる高吸収と水による高
吸収を提供するＩＲ帯域の限定されたスペクトル領域の
狭い帯域測定を利用することによって前述およびその他
の制限を克服する。基準チャンネルと関連してＩＲ検出
器から得られる信号のアルゴリズム操作はＩＲ源の変化
を補償し、さらに大気中と自動車の排気ガスで放出され
た水に対する正確で実時間の補償を可能にする。本発明
では相対的湿度（Ｒ．Ｈ．）により背景としての水の濃
度と自動車により放出された排気ガスは例えば１９９８
ｃｍ-1または２００３ｃｍ-1を中心とする帯域等の適切
な水吸収帯域の測定により決定され、ＮＯの共振吸収ピ
ークに近接する狭いスペクトル領域内の放射のみを選択
する狭い帯域幅のフィルタを利用する。
【００１９】水蒸気の存在補償はモデル化と測定により
生成される検索テーブルを利用することにより与えられ
る。この検索テーブル技術の正確性は２％またはそれ以
上であることが示されている。水の帯域による吸収の正
確な補償によって、システムの最終的な感度はＮＯライ
ン周辺のスペクトルフィルタの幅によってのみ制限され
ることが示されている。例えば、幅１％を有するスペク
トルフィルタにより５００ｐｐｍ以下のＮＯ濃度は排気
ガス中の高レベルの水と高レベルの相対的湿度（約６０
％Ｒ．Ｈ．まで）においてさえも検出されることができ
る。
【００２０】従って、この方法は狭い帯域幅フィルタに
関するＩＲ放射チャンネルを使用してＮＯと水蒸気の正
確な量測定を提供する。狭い帯域幅の補償は１００ｐｐ
ｍの自動車の排気ガス感度を可能にする。
【００２１】本発明はスペクトル帯域幅全体を横切る水
の不完全な補償による不正確と、それぞれ先天的に補償
されることができないＵＶ吸収物質（即ち芳香剤）干渉
の不正確な補償により制限される従来技術のＦＴＩＲと
ＵＶ測定技術における前述の欠点を克服する。
【００２２】従って、本発明は第１の観点で排気ガス内
のＮＯを検出するためのシステムを提供する。システム
は光ビームを発生し排気ガスを通って光ビームを導く光
源を含み、光ビームは赤外線（ＩＲ）放射スペクトル内
の予め定められた波長帯域幅内の波長を有する。システ
ムは第１の予め定められた波長帯域に対する測定された
ＮＯ透過値を決定する第１のチャンネルと、第２の予め
定められた波長帯域に対して測定された水透過値を決定
する第２のチャンネルと、排気ガスにより顕著に吸収さ
れないように選択された第３の予め定められた波長帯域
に対する測定された基準透過値を決定するための第３の
チャンネルと、第４の予め定められた波長帯域に対して
測定された燃焼副産物透過値を決定するための第４のチ
ャンネルとを有する放射センサ／フィルタ構造をさらに
含んでいる。データプロセッサは測定されたＮＯ透過値
からの実効的なＮＯ透過値を決定するためのチャンネル
出力に応答し、この測定されたＮＯ透過値は（ａ）測定
された水透過値と、（ｂ）第１の予め定められた波長帯
域内における水による吸収を補償する予め定められたフ
ァクターと、（ｃ）基準透過値とにより調整される。デ
ータプロセッサはさらに予め定められた較正ファクター
を使用して実効的なＮＯ透過値を相対的なＮＯ濃度に変
換し、および測定された燃焼副産物透過値を利用して相
対的なＮＯ透過値をＮＯ濃度値に変換するように動作可
能である。
【００２３】さらに、本発明によると、密封された較正
セルは１対のＩＲ透明ピストンにより２つの区画室に区
分されたハウジングから構成される。ハウジングはハウ
ジングを通るビームの通路と透明ピストンを通る通路と
を許容するため両端部にＩＲ透明窓を有する。第１の区
画室は問題としているガスの加熱混合物（例えばＮＯ、
ＣＯ2 、Ｈ2 Ｏ）を所望の割合で含んでいる。混合物は
所望の温度で維持される。密封セル内の濃度通路長積は
第１の区画室と、取付けられ漏れのない加熱されたガス
用貯蔵器との間でガス混合物を再度分配することにより
変化され、この貯蔵器は液体の水ソースを含んでもよ
い。
【００２４】較正セルを通過する通路長の機械的変化は
２つの環状永久磁石または電磁石を介して第２のピスト
ンにより第１のピストンを磁気的に駆動することにより
達成される。これはハウジング内の第２の区画室に接続
されている加圧されたガス源により達成される。第２の
区画室に圧力を加圧することによって第２のピストンの
移動を生じさせ、第２のピストンは第１のピストン上に
磁力を行使することにより第１のピストンの変位を生じ
させ第１の区画室中のガス混合物の体積を減少させる。
復帰力はばねにより与えられる。
【００２５】密封された二重チャンバセルの他の実施例
は第１のピストンまたは第１のピストンの静電気的に付
勢された変位をおこなわせるためにベローを使用する。
さらに別の実施例はベローまたはふくらませることがで
きる貯蔵器と組合わせて静電的変位を使用する。
【００２６】密封された較正セルの使用はＮＯ、Ｈ
2 Ｏ、ＣＯ2 検出器がフィールドで迅速に較正されるこ
とを可能にする。セルは密封されたシステムであるので
環境に放出されるガスはなく、その結果、取換え用の較
正ガス容器を購入し、輸送する必要はない。
【００２７】
【実施例】本発明の前述およびその他の特徴は添付図面
を伴って後述の詳細な説明により、明白になるであろ
う。図１は自動車が道路16に沿って走行するときの排気
ガス14を放出する自動車12に対して使用した本発明の多
重チャンネルＮＯセンサシステム10を示したシステムの
全体図である。自動車12はシステム10の一部を形成しな
いことが理解できよう。さらに本発明は煙突等からのＮ
Ｏ放出量の決定に使用でき、排気ガスの成分としてＮＯ
を放出する内燃エンジンを有する自動車のみの使用に限
定されない。通常、本発明は自然または人工の放射源に
より放出されるガス中のＮＯ濃度の決定に応用可能であ
る。
【００２８】本発明の方法は放出中のＮＯ濃度のみの量
を決定する自立式で使用されることができ、または前述
の1993年10月９日出願の米国特許出願第08/119,788号明
細書に記載されているタイプのシステム内に含まれるか
それと関連して使用されてもよい。
【００２９】システム10はＩＲ源18、好ましくは約３〜
６マイクロメートルの範囲で主要なＩＲ放射出力を有す
るグローバーのような広帯域ＩＲ源を含む。ＩＲ源18は
ビーム20を提供し、チョッパー22（公称上１秒当り２０
０サイクル）と反射器のようなビーム成形装置24が使用
されてもよい。ビーム20は自動車が道路16で走行すると
き自動車12の排気ガス14を通るように配置される。排気
ガス14を通るＩＲビーム20の通路は広帯域ビーム内の種
々の波長の選択的な部分的吸収を生じ、選択的吸収は排
気ガス内のＮＯ、水蒸気、ＣＯ2 、およびその他の分子
類の存在のために生じる。
【００３０】排気ガス14の通過後、ビーム20は較正目的
に使用される光学的なＩＲ透明ガスセル26（図５）を通
過し、その後、ビーム積分装置または拡散装置28を通過
する。拡散されたビームは複数（ｎ個）の狭帯域のフィ
ルタ30に与えられ、ｎはシステム10の測定チャンネル数
に等しい。各フィルタ30は予め定められた波長の狭い帯
域を通過させて複数のＩＲ検出器32の関連する１つに供
給するように選択される。各検出器32は適切なアナログ
電子装置34（例えば増幅器）と、ｎチャンネルアナログ
デジタル（Ａ／Ｄ）コンバータ36と、関連する出力装置
40を有するデータプロセッサ38から構成される対応する
測定チャンネルの入力に電気信号を出力する。データプ
ロセッサ38はＡ／Ｄコンバータ36からの出力の必要な信
号処理を行う。データプロセッサ38は検索テーブル（Ｌ
ＵＴ）42に結合され、この使用に関しては後述する。Ｌ
ＵＴ42はデータプロセッサ38によりアクセス可能なメモ
リ（半導体および／またはディスク）領域として最も容
易に設けられる。熱電（ＴＥ）装置のような適切な冷却
装置42は、周囲温度よりも下の動作温度に冷却されるこ
とが必要なこれらのタイプのＩＲ検出器32を冷却するの
に使用される。
【００３１】本発明の現在好ましい実施例においては４
つのスペクトル測定チャンネルが存在する。これらは
（通過帯域が５．２６μｍを中心とするフィルタ30を有
する）ＮＯスペクトルチャンネル32ａと、（通過帯域が
５．０２μｍを中心とするフィルタ30を有する）Ｈ2 Ｏ
スペクトルチャンネル32ｂと、（通過帯域が４．２μｍ
を中心とするフィルタ30を有する）第１の基準またはＣ
Ｏ2 スペクトルチャンネル32ｃと、（通過帯域が３．８
μｍを中心とするフィルタ30を有する）第２の基準（Ｒ
ＥＦ）スペクトルチャンネル32ｄである。他の汚染物質
を測定するための付加的なチャンネルもまた所望ならば
付加されることができる。
【００３２】通常、ＮＯスペクトルチャンネル32ａはほ
ぼ５．２μｍの共振吸収ピーク付近に位置され、水蒸気
スペクトルチャンネル32ｂは基本的ラインが飽和しない
強い水吸収領域中にあり、第１の基準スペクトルチャン
ネル32ｃは通常の燃焼生成物質、即ちＣＯ2 に汚染物質
を正規化するために使用され、第２の基準（ＲＥＦ）ス
ペクトルチャンネル32ｄは環境上のまたは自動車排気ガ
スが吸収しない領域で設けられる。
【００３３】ＲＥＦスペクトルチャンネルは（ａ）ＩＲ
ソース18の出力の変動と、（ｂ）路上のごみ形態の個々
の微粒子からなる物質と、（ｃ）排気ガス14中の微粒子
からなる物質および検出器32に到達する照射量を減少す
る他のファクターとにより生じる変化のために生じる他
の３つのスペクトルチャンネルを補償するように設けら
れている。ＲＥＦスペクトルチャンネルは従って測定さ
れる微粒子類（ＮＯ、Ｈ2 Ｏ、ＣＯ2 ）とは独立したベ
ースライン出力を提供するように動作する。ＲＥＦスペ
クトルチャンネル32ｄの出力は３つの粒子類のスペクト
ルチャンネル32ａ〜32ｃの出力を除算することによって
標準化に使用される。
【００３４】検出器32は高い検出性（感度）の材料から
構成されるのが好ましく、共通の基体上で製造される
か、結合されることが好ましい。適切な例として光導電
体のＨｇＣｄＴｅ（ＴＥ冷却された）と、７７度Ｋ（液
体窒素温度）に冷却されたＩｎＳｂ、またはボロメー
タ、熱電対、パイロ電気電子、およびＰｂ塩検出器に基
づくような冷却されていない検出器を含むがそれに限定
されない。各検出器32は増幅のため電子装置34と共に構
成され、このようにして電気信号を４つのスペクトル測
定チャンネルの１つに提供する。光電池型の検出器もま
た使用されてもよい。
【００３５】検出器32は光学的混線（クロストーク）を
最小限にするためにアルミナのような不透明材料で相互
に光学的に隔てられることが好ましい。予め定められた
通過帯域を有する光フィルタ30は好ましくは透明基体上
に形成され、光学的に透明の接着剤により検出器32の素
子に接着される。例示すると、フィルタ30はゲルマニウ
ム（Ｇｅ）から構成される基体上に形成され、フィルタ
30は硫化亜鉛（ＺｎＳ）の多重層を含んだ多重層からな
る誘電体層として形成される。
【００３６】各検出器30の例示的な寸法は約１×１ミリ
メートルであるが本発明はそれに限定されない。これら
の寸法は高い信号対雑音比率を達成しながらフィルタ32
に適合するのに十分な大きさである。光検出器構造（検
出器とフィルタ）の一体設計は光検出器32が等温的に動
作することを確実にし、その結果、温度差から生じる不
正確さを減少する。必要ならば検出器の温度32は冷却装
置44により調節される。
【００３７】ビーム集積器28は平凹のレンズ部分28ａを
含むことが好ましい。小面の長方形アレイはレンズ28ａ
の凹表面で形成される。小面は入射ビーム20の各部分か
ら中心軸方向へ光部分を屈折し、従って屈折された光部
分は光検出器32上で互いに重畳される。検出器32上に入
射された重畳された画像は小面から屈折された均一化さ
れたまたは平均化された画像であり、従ってビーム20の
平均強度を表す。収束レンズは光検出器32上の均一化さ
れた画像の寸法を減少するために所望により使用されて
もよい。
【００３８】ビーム集積装置28の好ましい実施例の原理
は1980年４月１日出願の米国特許第4,195,913 号明細書
に開示されている。本発明の実施に適切なビーム集積器
はカリフォルニア州コロナのスパー光学研究社（Spawr
Optical Research, Inc.）から市販されている。
【００３９】本発明の実施に適切なビーム集積器28の構
造は前述の多重小面に限定されないことを理解すべきで
ある。例えばビーム集積器28は光検出器32上のビーム20
の焦点のぼかされた画像を生成する収束または発散レン
ズにより実施されることができる。ビーム集積器28はま
た屈折性の装置ではなく反射性の装置を使用して実施さ
れることができる。
【００４０】図６で示されている本発明の方法は（Ａ）
セル26を使用するシステム10の較正ステップと、（Ｂ）
（例えば１９９８ｃｍ-1または２０２３ｃｍ-1のような
波長での）水帯域吸収を利用する背景水蒸気濃度の測定
ステップと、（Ｃ）ＮＯ帯域での水蒸気吸収に対する背
景標準化ステップと、（Ｄ）ＮＯ、水蒸気、ＣＯ2 のス
ペクトルチャンネル32ａ〜32ｃの自動車排気ガス透過の
実時間ステップと、（Ｅ）検索テ−ブル42の使用により
自動車12により放出される水をアルゴリズム的に補償す
ることにより（Ｄ）ステップを増大するステップとを含
んでいる。前述したように検索テーブル42は水スペクト
ルチャンネル32ｂの水蒸気による吸収を選択されたＮＯ
スペクトル帯域の水蒸気による吸収に関連づけるエント
リーを含んでいる。
【００４１】この点について、図２は好ましいＮＯ吸収
ラインの１つである約５．２６μｍの重要なスペクトル
領域を示している。水吸収帯域は約５．０２μｍにおい
て示されている。約３．８μｍにおけるＲＥＦ領域は示
されていない。
【００４２】図３は５．２６μｍのＮＯラインの周囲の
拡大されたスペクトルを示しており、ＮＯフィルタ30に
対する幾つかの異なったスペクトル幅（０．１％，０．
３％，１％）の使用を示している。太線（“Ａ”で示さ
れている）は排気ガス14中でＮＯがゼロｐｐｍである６
０％の相対的湿度の場合を示しており、細線（“Ｂ”で
示されている）は排気ガス14中でＮＯが1000ｐｐｍであ
る６０％の相対的湿度の場合を示している。図３のグラ
フは垂直側面を有し、１００％の透過を有する“完全
な”通過帯域フィルタ30を想定している。“パーセント
差”は曲線下の面積についてのＮＯの効果の尺度であ
る。
【００４３】（１つの特定の利用されたフィルタ30によ
り決定されるように）相対的湿度とスペクトル通過帯域
の関数としてのＮＯ吸収と水吸収の分数は表１で示され
ている。
【００４４】表１はスペクトルフィルタ幅と相対的湿度
の関数として、１０００ｐｐｍのＮＯによる吸収と５．
２μｍ周辺のスペクトル帯域における水による吸収との
比率である。
【００４５】 ９０°Ｆにおける相対的湿度 ０％ ３０％ ６０％ ９０％ フィルタ幅 ０．１％ １８４％ ５４％ ２９％ １８％ ０．３％ ３３％ １２％ ８％ ５％ １．０％ １５％ ５％ ４％ ３％ 表１のエントリーはまた排気ガス14にある水蒸気の存在
を考慮する。示されているように例として３０フィート
の長さの光路と１０００ｐｐｍのＮＯ濃度において６０
％の相対的湿度では、水ラインの相対的吸収とＮＯによ
る相対的吸収の比率は０．１％のフィルタに対する２９
％から、１％のフィルタに対する４％まで変化する。従
って、この比率は所定の感度におけるＮＯを測定するの
に必要なフィールド／実験室較正の正確性を決定する。
例えば１％のフィルタの場合、集積されたＮＯ吸収とス
ペクトル水吸収との比率は４％である。検索テ−ブル補
正における２％の正確性ではＮＯの５００ｐｐｍは６０
％のＲ．Ｈにおける検出の限定であり、ＩＲ源18と検出
器32との間の間隔は３０フィートである。対照的に０．
１％の通過帯域を有するＮＯフィルタ30では濃度比率は
２９％である。この場合、検索テ−ブル補正の２％の正
確性ではＮＯの１００ｐｐｍは６０％のＲ．Ｈ．と３０
フィートの間隔における検出の限度である。
【００４６】以下はＮＯx 検索テ−ブル42の１例であ
る。
【００４７】 ％ 吸収 伝達関数 吸収 ＣH2O （帯域１） 帯域１と帯域２の ＣH2O （帯域１） ＣH2O の比 1.0 .0011014 3.205 .00353012 2.0 .00210755 3.205 .00673933 3.0 .0030484 3.205 .00977024 図４のグラフは水蒸気背景による吸収の減算または補償
の重要性を示している。図４では相対的湿度の異なった
量のスペクトル曲線はＮＯベースライン対相対的湿度に
おける単調なオフセットを示している。この線形シフト
はフラットトップ吸収積分に対応して狭い帯域のＮＯフ
ィルタ30が利用されるならば非常に正確に補償される。
【００４８】種々の検出器32を横切る光源18により与え
られる照射の変化に関する較正は図５で示された加熱さ
れた較正セル26を使用して達成されることが好ましい。
【００４９】本発明によると、較正セル26は１対のＩＲ
透明ピストン52,54 により２つの区画室26ａと26ｂに区
分されるハウジング50から構成される。ハウジング50は
ハウジングと透明ピストン52,54 を通るビーム20の通過
を許容するために両端部でＩＲ透明窓50ａと50ｂを有す
る。区画室26ｂは例えば２％、１５％、１５％のような
所望の割合で問題のガス（例えばＮＯ、ＣＯ2 、Ｈ
2 Ｏ）の加熱された混合物を含んでいる。種々の炭化水
素（２％）およびＣＯ（１５％）のような他のガスもま
た典型的に与えられる。較正ガス混合物は例えば約１０
０℃の温度で維持される。密封されたセル26内の濃度と
通路長の積は、光学的に透明な区画室26ｂと取付けられ
た漏れのないガス貯蔵器56との間のガス混合物を再度分
配することにより変化され、これは液体の水源もまた含
んでいてもよい。貯蔵器56はヒーター56ａを含み、区画
室26ａはまた所望の温度を維持するためのヒーター26ｃ
を含んでいる。
【００５０】セル26を通る通路の長さの機械的変化は２
つの環状の永久磁石または電磁石（52ａ、52ｂ）を介し
てピストン52によりピストン54を磁気的に駆動すること
により達成される。これは圧力を加えられたガス（空
気）タンク58と、区画室26ａに接続される導管60により
達成される。区画室26ａに圧力を加えるとピストン52が
図面の右方向に移動し、従って磁石52ａ、52ｂによって
ピストン54上に反発する磁力を行使する。これはピスト
ン54を右方向に移動させ、従って導管62と密封された貯
蔵器56を通るチャンバ26ａのガス混合物の体積を減少
し、セル26内の通路長積を変化する。戻る力は圧縮ばね
64,66 により与えられる。
【００５１】較正セル26の使用はＮＯ、Ｈ2 Ｏ、ＣＯ2
検出器32が関して相互にフィールドで容易に較正される
ことを可能にする。重要なことは、セル26は密封された
システムであるので環境に放出されるガスはなく、その
結果、取換え用の較正ガスの円筒容器を購入し、輸送す
る必要はない。ＮＯは有毒物質と考えられているので、
これは非常に有効である。
【００５２】１以上の排気ガスの測定期間中、較正セル
26はビームから除去されることができる。代りに較正セ
ル26はチャンバ26ａの体積をゼロまで減少するように制
御されることができる。セル26を通過するときビーム20
の最小の吸収は前述したようにＲＥＦスペクトルチャン
ネル測定により補償される。
【００５３】線形貫通体に対してベローまたはロータリ
ーのような他の方法の使用もまた本発明の技術的範囲内
にある。
【００５４】例として図１０Ａ〜９Ｃを参照にして較正
セルの実施例をさらに説明する。
【００５５】図１０Ａはバルブ76ａ、76ｂを通る圧縮空
気シリンダ74から駆動されるベロー76を含んでいる較正
セル70を示している。バルブ76ｂはベロー72に空気を供
給するために開口されている。ベロー72はＩＲ透明結合
部78によりピストン80を駆動する。ピストン80は光源84
から検出器86まで伝播する放射に対するための区画室82
を通る通路の長さを変化するように動作する。この実施
例は所望のガス混合物、好ましくは水蒸気を区画室82に
与えるための膨脹可能な貯蔵器88を含んでいる。
【００５６】図１０Ｂは区画室94を通る光路の長さを変
化するため電磁石92を使用する較正セル90の実施例を示
している。電磁石構造92ａは運動する能力を有し、電磁
石92ｂにより制御可能に吸引され、反撥される。運動可
能な電磁石構造92ａはばね96でバイアスされる。所望の
ガス混合を区画室94に与えるため図１０Ａの実施例のよ
うに膨脹可能な貯蔵器88が使用される。
【００５７】図１０Ｃは極性が反転可能な電磁石102 と
環状の永久磁石104 によって動作する較正セル100 の実
施例を示している。例えば、環状の永久磁石104 は中心
に配置されたＩＲ透明窓104 を有する磁化されたサマリ
ウム銅ディスクであってもよい。磁石104 はベアリング
構造106 内に含まれている。電磁石102 の極性の反転は
ガスを含んだ区画室108 を通る光路の長さを変化するよ
うに磁石104 を運動させる。区画室108 はまた実施例１
０Ａと１０Ｂのような膨脹可能な貯蔵器88に結合され
る。
【００５８】システム10の動作において、図１のデータ
プロセッサ38により実行される信号処理ルーチンは図６
で示されている方法を実行する。データプロセッサは、
検索テ−ブル42によりＮＯ帯域中の水の残留透過に変換
されるＲＥＦチャンネルで決定される透過と水蒸気チャ
ンネルで決定される透過との両者によりＮＯ帯域中の信
号を標準化する。この標準化は以下の関数式を使用して
背景測定とダイナミック放出測定との両者のために連続
的に行われる。
【００５９】Ｔ（ＮＯ）eff＝Ｔ（ＮＯ）／（Ｔ（Ｈ2
Ｏ）×｛参照（Ｈ2 Ｏ帯域からＮＯ帯域）｝×Ｔ（ＲＥ
Ｆ） ここでＴ（ＮＯ）eff は実効的ＮＯ透過であり、Ｔ（Ｎ
Ｏ）は測定されたＮＯ透過であり、Ｔ（Ｈ2 Ｏ）は測定
された水透過であり、検索（ＮＯ帯域に対するＨ2 Ｏ帯
域）は検索テ−ブル42から予め定められた水／ＮＯ吸収
補正であり、Ｔ（ＲＥＦ）は測定されたＲＥＦスペクト
ルチャンネル透過である。
【００６０】排気ガス14の相対的ＮＯ濃度は工場での較
正期間中と、セル26を使用するフィールドの較正期間中
に更新されるときに設定されるＮＯ検出器32の透過対濃
度を使用して前述の式から得られる。排気ガス14中の実
際のＮＯ濃度はガス14内のＮＯとガス内のＣＯ2 の測定
濃度との比として決定され、“平均”燃料に対する実効
的なＣ：Ｈ比を使用して決定されるように排気ガス中の
ＣＯ2 の相対的濃度により乗算される。例えば１５％の
ＣＯ2 濃度が“平均”燃料の燃焼から生じる排気ガスで
合理的な値である。
【００６１】換言すると、この方法は最初に（ａ）測定
された水透過、（ｂ）検索テーブルファクター、（ｃ）
ビーム20に衝突する個々の微粒子、塵等を補償するＲＥ
Ｆチャンネル出力により見積もられる測定されたＮＯ透
過から実効的なＮＯ透過を決定する。実効的なＮＯ透過
を決定すると、この値は較正セル26内の既知のＮＯ濃度
の使用により最後に更新されるとき工場較正から得られ
る結果を使用して相対的ＮＯ濃度に変換される。相対的
ＮＯ濃度を決定すると、この値は測定されたＣＯ2 濃度
を使用し典型的な燃料の実効的Ｃ：Ｈ比率を仮想するこ
とによって実際のＮＯ濃度に変換される。
【００６２】図８と図９は本発明を使用した高い放出の
自動車（１８７５ｐｐｍ）からの放出と、比較的低い放
出の自動車からの放出とを測定したグラフを示してお
り、図９はさらに排気ガスの水蒸気の補償を示してい
る。
【００６３】システム10の全体的な動作は図７のフロー
チャートに示されている。システム10は一度、部品が設
定され較正されると、付随する動作または付随しない動
作に適切である。
【００６４】システム10は自動車12がビーム20を通過す
るのを待機する。これは自動車12がビーム20を遮断する
とき光検出器32の出力信号の振幅における急低下により
示されている。これは自動車の排気ガス14のＮＯ濃度の
測定を開始するトリガーを生成する。検出器32により出
力される信号振幅は自動車12の後端部がビーム20を通過
するとき急上昇する。これはビーム20が遮断されておら
ず自動車12の排気ガス14を通って伝播していることを示
す。
【００６５】データプロセッサ38は光検出器32がチョッ
パー22により遮断されていない間隔期間中に検出器32か
らの出力信号を積分する。この方法で光検出器32の出力
は周期的に抽出され、処理される。
【００６６】データプロセッサ38は光検出器32からの信
号の振幅に基づいて少なくとも構成成分ＮＯの割合また
は濃度に関してガス14の構成成分を計算する。このデー
タは図１で示されているようにモニター40上のカメラ46
からのビデオと共に表示されてもよい。この動作は例え
ば１．５秒のようなシステム10が正確な測定を生むのに
十分である予め定められた長さの時間行われる。データ
プロセッサ38は組成が特定の調節許容度内であるか否か
を決定する。そうであるならば、装置10がリセットし、
次の自動車を待機する。そうでなければ、自動車12が過
剰な汚染物質を発生していることを示し、データプロセ
ッサ38はカメラ46からビデオのフレームを入力し、免許
プレートの画像のような自動車12の特性の識別を含んだ
ビデオはビデオフレーム上に少なくともＮＯの濃度デー
タを重畳し、ハード駆動装置のような大容量記憶装置内
に結合されたビデオおよびデータフレームを記憶する。
【００６７】データは違反通知を自動車の所有者に送る
等のように強制執行に使用するために後に検索されるこ
とができる。異なったタイプと異なった製造元メーカー
の自動車の排気ガス組成のデータベースを作成する等の
応用のための汚染自動車以外のビーム20を通過する個々
の自動車に対する結合されたビデオおよびデータフレー
ムを記憶することも本発明の技術的範囲内である。
【００６８】多数の変形が本発明の技術的範囲内に含ま
れるシステム10に対して行われることができる。例とし
て、検出器の最初の実験室の較正が十分であると考えら
れるならば、較正セル26は必要とされないであろう。他
の検出器はまたＣＯおよび／または炭化水素のような問
題の他の分子試料を測定するために適切なフィルタと共
に使用されることができる。
【００６９】以上、本発明を特に好ましい実施例に関し
て示し説明したが、形態および細部の変化は本発明の技
術的範囲を逸脱することなく行われることができること
が当業者に理解できよう。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例の多重チャンネルＮＯセンサを
含んだ排気ガス汚染検出システムのブロック図。
【図２】所望のＮＯ吸収スペクトルに近似する水蒸気吸
収スペクトルのグラフ。
【図３】ＮＯ吸収帯域の測定における異なった理想フィ
ールドの効果のグラフ。
【図４】水蒸気背景を減算する必要条件を明確にした異
なった相対的湿度レベルに対する２つの候補ＮＯスペク
トルライン（５．２６１７μｍと５．２６２９μｍ）の
頂点背景水蒸気のグラフ。
【図５】本発明によるガス較正セルの簡単な断面図（実
物大ではない）。
【図６】排気ガス中のＮＯ濃度を決定するための本発明
の方法を示した論理的なフロー図。
【図７】道路上を走行する自動車の排気ガス放出を監視
するための本発明の方法を示した論理的フロー図。
【図８】本発明を使用した高放出の自動車（１８７５ｐ
ｐｍ）からの放出の測定結果を示しているグラフ。
【図９】本発明を使用した比較的低放出の自動車からの
放出の測定結果および排気ガスの水蒸気の補償を示して
いるグラフ。
【図１０】密封された較正セルの異なった実施例の断面
図。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 マイケル・ディー・ジャック アメリカ合衆国、カリフォルニア州 93117、ゴレタ、ストー・キャニヨン・ロ ード 5767

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 排気ガス内のＮＯ濃度を決定するシステ
    ムにおいて、 排気ガスを通過する光路に沿って複数の波長を有する放
    射線を導くための電磁放射線源と、 排気ガス内のＮＯの存在によって第１の波長帯域内の放
    射線吸収量を示す出力を有する第１のセンサ手段と、 光路に沿った水蒸気の存在によって第２の波長帯域内の
    放射吸収量を示す出力を有する第２のセンサ手段と、 前記第１のセンサ手段と前記第２のセンサ手段の出力に
    結合する入力を有し、第２の波長帯域内の示された吸収
    量と、予め定められたＮＯ吸収変更ファクターに応じて
    第１の波長帯域内における示された吸収量を補償する手
    段とを具備していることを特徴とするシステム。
  2. 【請求項２】 予め定められたＮＯ吸収変更ファクター
    が検索テ−ブル手段内に記憶される請求項１記載のシス
    テム。
  3. 【請求項３】 排気ガス内の予め定められた燃焼生成物
    の存在によって第３の波長帯域内における放射線の吸収
    量を示すための出力を有する第３のセンサ手段をさらに
    具備し、 前記第３のセンサ手段の前記出力からの指示に応じて前
    記決定手段は第１の波長帯域内で補償され示された吸収
    量から、排気ガス中のＮＯの濃度を決定する手段を含ん
    でいる請求項１記載のシステム。
  4. 【請求項４】 予め定められた燃焼生成物がＣＯ2 であ
    る請求項３記載のシステム。
  5. 【請求項５】 排気ガス内にほとんど吸収されないよう
    に選択される第４の波長帯域内の放射線強度における変
    化を示すための出力を有する第４のセンサ手段をさらに
    具備し、 前記決定手段は、前記第４のセンサ手段の前記出力に応
    答して前記第４のセンサ手段により出力された指示に応
    じて、第１の波長帯域内の示された吸収量と、第２の波
    長帯域内の示された吸収量とを補償する請求項１記載の
    システム。
  6. 【請求項６】 電磁放射線源が約３ミクロンから約６ミ
    クロンまでの帯域を含んだ波長帯域内で放射線を出力
    し、前記第１の波長帯域は約５．２６ミクロンの波長を
    含み、前記第２の波長帯域は約５．０２ミクロンの波長
    を含んでいる請求項１記載のシステム。
  7. 【請求項７】 前記第１のセンサ手段が第１の光検出器
    と、第１の検出器と排気ガスの間に挿入されている第１
    のフィルタとを含んでおり、第１のフィルタは５．２６
    ミクロンの波長を含んでいる予め定められた波長通過帯
    域幅を有し、前記第２のセンサ手段は第２の光検出器
    と、第２の光検出器と排気ガスとの間に挿入されている
    第２のフィルタとを含み、前記第２のフィルタは５．０
    ２ミクロンの波長を含む予め定められた波長通過帯域幅
    を有している請求項１記載のシステム。
  8. 【請求項８】 放射線が排気ガス通過後、放射線を均質
    化するための手段をさらに含み、前記均質化手段は前記
    第１と第２のフィルタと前記排気ガスとの間に挿入され
    ている請求項７記載のシステム。
  9. 【請求項９】 放射線が較正セルを通過するように前記
    第１と第２と第３のセンサ手段と排気ガスとの間に挿入
    された較正セルをさらに具備し、この較正セルはＮＯ、
    水蒸気、および少なくとも１つの燃焼生成物を予め定め
    られた濃度で含んだ体積を有する区画室を具備し、さら
    に前記区画室はその体積を制御可能に変化する手段を含
    んでいる請求項３記載のシステム。
  10. 【請求項１０】 排気ガス内のＮＯ濃度を決定する方法
    において、 赤外線放射スペクトル内の予め定められた波長帯域内の
    波長を有する光ビームを排気ガス中を通過させ、 第１の予め定められた波長帯域に対して測定されたＮＯ
    透過値を決定し、 第２の予め定められた波長帯域に対して測定された水蒸
    気透過値を決定し、 排気ガスにより顕著に吸収されないように選択された第
    ３の予め定められた波長帯域に対して測定された基準透
    過値を決定し、 第４の予め定められた波長帯域に対して測定された燃焼
    副産物透過値を決定し、 （ａ）測定された水蒸気透過値と、（ｂ）第１の予め定
    められた波長帯域内の水蒸気による吸収を補償する予め
    定められたファクターと、（ｃ）基準透過値により調整
    された測定されたＮＯ透過値からの実効的なＮＯ透過値
    を決定し、 予め定められた較正ファクターを使用して実効的なＮＯ
    透過値を相対的ＮＯ濃度に変換し、 測定された燃焼副産物透過値を使用して相対的ＮＯ透過
    値をＮＯ濃度値に変換するステップを有することを特徴
    とする排気ガス内のＮＯ濃度の決定方法。
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