JPS6329239Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 本考案は、赤外線輻射を利用した高温排ガスの
測定装置に関し、その目的は、測定に有害な成分
を除去するためのサンプリング装置を必要としな
いため装置構成が簡単で安価に製作でき、しかも
サンプリングに起因する応答遅れがない赤外線輻
射式高温排ガス測定装置を提供することにある。

従来、自動車の排ガスや煙道の排ガス等の高温
排ガス中に含まれるCO、CO₂、NOx、HC等の
濃度測定には、非分散赤外線吸収法が利用されて
いた。このため、赤外線光源や光源安定化電源が
必要で赤外線ガス分析計自体の構成が複雑である
上、高温排ガスを適当な温度にまで放熱ないし冷
却して分析計に導入する必要があり、温度低下に
伴つて高温排ガス中に含まれている水分、スス、
オイルミスト等、測定に有害な成分が凝結するた
め、これらの有害成分を除去するフイルタ−や除
湿器を備えたサンプリング装置が必要とされ、装
置全体の構成が複雑かつ大型化する欠点があつ
た。

殊に、サンプリング装置の価格が分析計価格を
大きく上まわることや、自動車の排気管や煙道を
流れる高温排ガスがサンプリング装置を経て分析
計に導入されることによる応答遅れが問題となつ
ていた。

ところで、分子ガスの高温での赤外線輻射は、
吸収と同じように特定の波長で起こり、一定圧
下、一定波長ではその輻射率は、温度とガスの分
圧（濃度）×光学的厚み（光路長）で決まり、一
定温度、一定光路長、一定圧下においては、ガス
の濃度の関数として求めることができる。

本考案の赤外線輻射式高温排ガス測定装置は、
この原理を応用して上述の如き従来欠点を一掃し
たものであり、自動車の排気管や煙道等、高温排
ガス流路の周壁に、高温排ガス中の測定対象成分
から輻射される特定波長の赤外線を検出する赤外
線輻射量測定装置と、高温排ガスの温度を測定す
る温度測定装置とを設け、前記赤外線輻射量測定
装置による測定値と前記温度測定装置による測定
値とに基づいて測定対象成分の濃度を測定すべく
構成し、前記赤外線輻射量検出装置及び温度測定
装置に、両端に赤外透過窓を有し、内部に測定波
長での吸収がないガスを封入し、かつ一端の赤外
透過窓を高温排ガス流路に臨ませて配置されたス
ペ−スセルと、該スペ−スセルの他端の赤外透過
窓に対向して配置された赤外検出器を具備した点
に特徴がある。

以下、本考案の実施例を図面に基づいて説明す
る。

第１図、第２図は本考案に係る赤外線輻射式高
温排ガス測定装置の一例を示す。１は前述した高
温排ガス流路の周壁の一例である自動車の排気管
である。排気管１には、高温排ガス中の測定対象
成分から輻射される特定波長の赤外線を検出する
複数個の赤外線輻射量測定装置２…と、高温排ガ
スの温度を測定する温度測定装置３とが取り付け
られている。

前記赤外線輻射量測定装置２…及び温度測定装
置３は次のように構成されている。

即ち、両端に赤外透過窓４ａ，４a′，４ｂ，４
b′，４ｃ，４c′，４ｄ，４d′を有し、内部に測定
波長での吸収がないガス（例えばN₂）を封入し
た断熱用のスペ−スセル５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ
が一端の赤外透過窓４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄを排
気管１内の高温排ガス流路６に臨ませて設けられ
ている。この場合、高温排ガスが赤外透過窓４
ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄの近辺に停滞しにくいよう
に、赤外透過窓４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄを排気管
１の内面と面一状に、あるいは排気管１内面から
若干突出した状態に配置することが望ましい。

前記高温排ガス流路６内には、前記赤外線輻射
量測定装置２…の構成部材となるスペ−スセル５
ａ，５ｂ，５ｃの赤外透過窓４ａ，４ｂ，４ｃと
対向する位置に、金属など赤外線の透過しない材
料よりなり、かつ、赤外透過窓４ａ，４ｂ，４ｃ
との間に高温排ガスの分岐流路６′を形成できる
ように排気管１に対する垂直な断面形状を略門型
とした光路調整板７ａ，７ｂ，７ｃが設けられて
いる。尚、光路調整板７ａ，７ｂ，７ｃは、排気
管１に固着されているが、スペ−スセル５ａ，５
ｂ，５ｃに固着しておき、これを一体物として排
気管１に挿抜自在に差込むように構成してもよ
い。

前記光路調整板７ａ，７ｂ，７ｃは、赤外透過
窓４ａ，４ｂ，４ｃとの間隔ａ，ｂ，ｃに
よつて高温排ガスの光学的厚み（光路長）を調整
するために設けられたもので、各々の光路長、つ
まり、前記間隔ａ，ｂ，ｃは、前記分岐流
路６′…を流れる高温排ガス中に測定対象成分か
らの赤外線輻射量が濃度の関数として求められる
範囲で適当に設定される。例えば、自動車の排ガ
ス中に含まれるCO₂のように高濃度域にある成分
を測定対象とする場合には、光路長を短く設定
し、COやHCやNOxのように低濃度域にある成
分を測定対象とする場合には、長く設定するので
ある。

前記温度測定装置３の構成部材となるスペ−ス
セル５ｄに関しては、上述のような光路調整板は
設けられず、排気管１の内径の全長、つまり、赤
外透過窓４ｄとこれに対向する排気管１内面との
間隔ｄが光路長となるように構成されている。
これは、赤外線輻射量が濃度に関係なく、温度の
みの関数として求められるような十分な長さの光
路長を確保するためである。

前記スペ−スセル５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄの他
端の赤外透過窓４a′，４b′，４c′，４d′と対向す
る位置には、ケ−ス内部の前面に測定波長の赤外
線が透過するバンドパスフイルタ−fa，fb，fc，
fdを備えた赤外検出器Sa，Sb，Sc，Sdが配設さ
れ、これらの赤外検出器Sa，Sb，Sc，Sdとスペ
−スセル５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄの前記赤外透過
窓４a′，４b′，４c′，４d′との間には、モ−タＭ
…によつて回転駆動される光チヨツパ−８…が介
装されている。尚、赤外検出器Sa，Sb，Sc前方
のバンドパスフイルタ−fa，fb，fcとしては、
HC，CO，CO₂から輻射される赤外線を透過し、
赤外検出器Sd前方のバンドパスフイルタ−fdと
してはCO₂から輻射される赤外線を透過する波長
域のものが用いられている。

そして、前記光路調整板７ａ，７ｂ，７ｃとス
ペ−スセル５ａ，５ｂ，５ｃと光チヨツパ−８…
と赤外検出器Sa，Sb，Scによつて前記赤外線輻
射量測定装置２…が構成され、前記スペ−スセル
５ｄと光チヨツパ−８と赤外検出器Sdによつて
前記温度測定装置３が構成されるのである。

図中、９は、前記赤外線輻射量測定装置２…に
よる測定対象成分からの赤外線輻射量の測定値と
温度測定装置３による高温排ガスの温度値とに基
づいて測定対象成分の濃度を算出する演算器であ
る。

尚、図示の実施例では、HC，CO，CO₂の３成
分を同時測定して空燃比を測定できるように、３
個の赤外線輻射量測定装置２…を設けてあるが赤
外線輻射量測定装置２…の個数は、一成分の濃度
を測定する場合であれば１個、二成分の濃度測定
を行なう場合には２個といつたように、測定対象
成分の数に応じて任意に設定されるものである。

上記の構成によれば、光路調整板７ａ，７ｂ，
７ｃによつて形成された分岐流路６′を流れる高
温排ガスから輻射される赤外線のうち、測定対象
成分であるHC，CO，CO₂ガスから輻射される赤
外線が各々所定の赤外検出器Sa，Sb，Scに入り、
赤外検出器Sa，Sb，Scからは各々が受光した赤
外線輻射量に比例した電気信号（濃度と温度の関
数として得られる信号）が出力される。また、赤
外検出器Sdには、高温排ガス流路６を流れる高
温排ガス中のCO₂ガスから輻射される赤外線が入
り、その赤外線輻射量に比例した電気信号（温度
の関数として得られる信号）が赤外検出器Sdか
ら出力される。そして、これらの電気信号は演算
器９で処理され、HC，CO，CO₂の濃度が測定さ
れるのである。

即ち、高温排ガス中の測定すべき分子からは、
各分子の吸収波長とほぼ同じ波長の赤外光が輻射
され、その輻射率は、第３図に見られるように、
一定温度では分子の分圧×光路長で決まり、輻射
量は、第４図に見られるように温度と分子の分圧
×光路長で決まる。

従つて、第１図、第２図で示したように、光路
調整板７ａ，７ｂ，７ｃとスペ−スセル５ａ，５
ｂ，５ｃの赤外透過窓４ａ，４ｂ，４ｃとの間隔
ａ，ｂ，ｃで光路長を決定すれば、光路調
整板７ａ，７ｂ，７ｃと赤外透過窓４ａ，４ｂ，
４ｃ間の分岐流路６…を流れる高温排ガス中の分
子による赤外線輻射量は温度と濃度の関数となり
赤外検出器Sa，Sb，Scからは、これらの赤外線
輻射量に相当する信号（濃度情報を含む信号）が
出力される。

今、ここで高温排ガス中のCO₂に着目すれば、
自動車の排ガスの場合、CO₂濃度は常に10％以上
の高濃度であり、かつ、排ガス温度は数百度の高
温であるから、光路長をある程度長くとれば、
CO₂による赤外線輻射量は、第３図にも見られる
通り、濃度に関係なく、一定温度では一定とな
る。つまり、その輻射量は温度のみの関数とな
る。また、赤外検出器Sdに対応するスペ−スセ
ル５ｄの内端側には、光路調整板がなく、排気管
１の内径ｄによつて光路長が十分長く確保され
ている。

従つて、赤外検出器Sd前方のバンドパスフイ
ルタ−fdとして4.3μｍバンドのものを用い、CO₂
による赤外線輻射量を測定することによつて、赤
外検出器Sdからは、温度にほぼ比例した信号が
出力されることになり、予め温度と赤外線輻射量
との関係を求めておくことにより、高温排ガスの
温度を測定できるのである。

因みに、第３図によれば、濃度15％のCO₂では
２cm以上の光路長とすることによつて温度測定が
可能であり、自動車の排気管１の内径は２cm以上
であるため、排気管１を特に大径にしなくても温
度測定が可能である。

従つて、赤外検出器Sa，Sb，Scから出力され
る信号と、赤外検出器Sdから出力される信号と
を、演算器９で、測定すべき各成分についての温
度と赤外線輻射量との関係式に基づいて演算処理
することによつて、各成分の濃度を測定できるの
である。

尚、上記の実施例においては、温度測定装置３
がCO₂ガスからの赤外線輻射量を赤外検出器Sdで
検出するとによつて温度を測定するように構成さ
れているが、他の温度計を用いることも可能であ
る。また、スペ−スセル５…は赤外透過材料で中
実に製作してもよい。大気による影響が小さい場
合には、スペ−スセル５…を省略し、赤外検出器
を単に一定距離排気管１から離して設置するだけ
でもよい。

赤外検出器Sa，Sb，Sc，Sdとしては、種々の
ものを採用できるが、自動車の排ガス測定には、
焦電検出器、サ−モパイル検出器等の熱検出器や
半導体検出器等の固体検出器が装置全体をよりコ
ンパクト化し得る点で望ましい。この場合第５図
に示すように、HC，CO，CO₂，NOxの４成分
を測定する赤外検出器Sa，Sb，Sc，Sdを排気管
１の内径内に納まるように集中して設置すること
により、１つの光チヨツパ−８を全部の赤外検出
器Sa，Sb，Sc，Sdに共用できる。

第６図は別の実施例を示し、排気管１の内面等
から輻射される赤外線による影響を除去するため
に、２光路方式を採用した点に特徴がある。即ち
１個の光路調整板７に対し、測定波長での吸収が
ないガスを封入したスペ−スセル５と５′とを並
設すると共に、透過波長域の近接した２種類のバ
ンドパスフイルタ−ｆ，f′を備えた濃度測定用赤
外検出器Ｓ及び比較用赤外検出器S′を各セル５，
５′に対応して設け、減算器１０により前者の赤
外検出器Ｓによる出力信号からの後者の赤外検出
器S′による出力信号を減算して、排気管１の内面
等からの赤外線輻射量による誤差をなくすように
構成したものである。光チヨツパ−８、温度測定
装置３演算器９等、他の構成については先の実施
例と同じであるから説明を省く。

尚、図示しないが、濃度測定用の赤外検出器と
して一つの検出器で二つの波長を検出し減算する
２波長式検出器を用いた場合にも、上記の２光路
方式を採用した場合と同じく、排気管１の内面等
からの赤外線輻射量による影響を除去できる。

また、以上の各実施例では自動車の排ガス測定
を例にとつて本考案を説明したが、煙道の排ガス
測定についても同様に実施できる。その具体的な
構成としては、図示の排気管１を煙道に置き換え
たものでもよい。

本考案は、上述の構成よりなり、高温排ガスの
赤外線輻射を利用して濃度測定を行なうので、従
来装置において必要とされた赤外光源や光源安定
化電源が不要であるばかりでなく、高温排ガス流
路を流れる高温排ガスを直接測定するため、サン
プルセルは勿論、サンプリング装置が不要になり
装置構成の簡略化、低コスト化が可能で、しかも
サンプリングに起因した応答遅れがなくなり、更
に赤外線輻射量検出装置及び温度測定装置にスペ
−スセルを具備せしめたから高温排気管周囲の温
度の影響によつて大気から発生する赤外輻射線が
赤外検出器に入らなくなり、誤差が極めて少なく
なり、対象成分の濃度測定を極めて精度の高い状
態で行なうことができる等の効果がある。

【図面の簡単な説明】

図面は本考案に係る赤外線輻射式高温排ガス測
定装置の実施態様を例示し、第１図は一部切欠側
面図、第２図は断面図、第３図は一定温度、一定
圧力下において光路長及びCO₂濃度を種々変化さ
せた場合の赤外線輻射率と波長との関係を示すグ
ラフ、第４図は温度と輻射量との関係を示すグラ
フ、第５図は別の実施例を示す要部の構成図、第
６図は別の実施例を示す一部切欠側面図である。 １，１′……周壁（排気管，煙道）、２……赤外
線輻射量測定装置、３……温度測定装置、６……
高温排ガス流路。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 高温排ガス流路の周壁に、高温排ガス中の測定
   対象成分から輻射される特定波長の赤外線輻射量
   を測定する赤外線輻射量検出装置と高温排ガスの
   温度を測定する温度測定装置とを設け、前記赤外
   線輻射量検出装置による測定値と前記温度測定装
   置による測定値とに基づいて測定対象成分の濃度
   を測定すべく構成したものにおいて、前記赤外線
   輻射量検出装置及び温度測定装置は、両端に赤外
   透過窓を有し、内部に測定波長での吸収がないガ
   スを封入し、かつ一端の赤外透過窓を高温排ガス
   流路に臨ませて配置されたスペ−スセルと、該ス
   ペ−スセルの他端の赤外透過窓に対向して配置さ
   れた赤外検出器を具備していることを特徴とする
   赤外線輻射式高温排ガス測定装置。