專利名稱：氣體分析裝置及氣體分析方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種氣體的分析裝置，特別是涉及一種氣體分析裝置 及氣體分析方法，其能夠?qū)崟r地求取流動于發(fā)動機的排氣管等氣體通 道的氣體中所包含的氣體成分濃度等。
背景技術(shù)：
一直以來，作為汽車等的廢氣分析裝置，有記載于日本特開2004-117259號公報(專利文獻1)的車載型HC測定裝置。該車載型 HC測定裝置能夠?qū)⑾率鰳?gòu)件安裝于車內(nèi)用于連續(xù)測定流動于與發(fā)動 機相連的排氣管內(nèi)的廢氣中的HC(碳氫化合物)濃度的NDIR(非分散紅 外線法)型氣體分析計；連續(xù)測定流動于排氣管內(nèi)的廢氣流量的廢氣流 量計；對NDIR型氣體分析計及廢氣流量計各自的輸出進行運算處理， 并連續(xù)計算廢氣中的THC(總碳氫化合物)量的運算處理電路。記載于所述專利文獻1的廢氣分析裝置，雖然能夠?qū)π旭R史在實際 道路上的車輛簡單地測定其廢氣中的THC,但由于是使廢氣通過管路 從發(fā)動機的排氣路徑流動到分析部再進行氣體成分的分析，因而無法 進行實時的分析，而且為盡量將所述設(shè)備等抑制在較小程度，只能分 析HC等有限的成分。因此，希望獲得一種廢氣分析裝置，其在發(fā)動 機的開發(fā)以及附屬于發(fā)動機的廢氣凈化裝置等機器的開發(fā)階段，對于 廢氣中碳氫化合物以外的成分，例如氮氧化物及一氧化碳等也能夠簡 易測定，并且能夠?qū)崟r地測定廢氣成分、氣體濃度等。因此，本申請人開發(fā)了 一種即使對于廢氣中的例如氮氧化物及一 氧化碳等多種氣體成分，也能夠進行簡易實時測定的氣體分析裝置。該氣體分析裝置如圖7所示。在傳感器部72中，其中央部分形成有貫通孔73,反射鏡74、 74 隔著貫通孔73而相對地配置。該傳感器部72被設(shè)置在與發(fā)動機相連 的排氣管等氣體流道上，并被構(gòu)成為可使激光照射到流過傳感器部72 的貫通孔73內(nèi)的氣體。而且，激光二極管70發(fā)射含有由測量對象氣體成分吸收的波長的 激光，所發(fā)射的激光通過光纖81而被導(dǎo)入分波器71，且被分波器71 分波成測量用激光與參照用激光。通過分波而得到的一方的測量用激 光通過光纖82而被導(dǎo)入傳感器部72的照射部，并從照射部照射到流 動于貫通孔73內(nèi)的氣體中。照射到氣體中的測量用激光，在反射鏡74、 74之間經(jīng)過多次反射，在透過氣體期間，特定波長的激光被包含在氣 體中的氣體成分吸收后，再被受光器75接受。接受到的測量用激光在 受光器75處被轉(zhuǎn)換為電信號85，該電信號85被輸出到差分檢測器77 和I/V轉(zhuǎn)換器80。被輸入到I/V轉(zhuǎn)換器80的電信號85在被I/V轉(zhuǎn)換器 80進行I/V轉(zhuǎn)換之后，再被A/D轉(zhuǎn)換器78轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并作為測 量受光強度信號而被輸入到分析裝置(計算機)79中。另一方的參照用激光通過光纖83而被導(dǎo)入受光器76,被受光器 76接受并被轉(zhuǎn)換為電信號86，且該電信號86被輸出到差分檢測器77。 差分檢測器77計算從氣體中透過的測量用激光的電信號85和未從氣 體中透過的參照用激光的電信號86的差，計算出的差分信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn) 換器78轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并被輸出到分析裝置(計算機)79中。分析裝置79,根據(jù)從差分檢測器77輸入的差分信號和來自受光器 75的表示測量受光強度的電信號85,確定規(guī)定強度的測量用激光從氣 體中透過時的吸收光語(被標(biāo)準(zhǔn)化的吸收光譜)。分析裝置79將計算 出的吸收光譜與理論光譜進行比較、分析，從而測定氣體的溫度、壓 力及包含在氣體中的氣體成分濃度。

發(fā)明內(nèi)容
如圖7所示的氣體分析裝置中，在作為測量區(qū)域的傳感器部72處 被照射到廢氣中的測量用激光，由于廢氣對反射鏡74的污染以及懸浮 在廢氣中的微粒引起的散射等，故如圖8所示，例如在波長為？d時以 光強度Pl照射的測量用激光從廢氣中透過并被受光器75接受時，將 被衰減到光強度P2。測量用激光從廢氣中透過時被衰減的比例，根據(jù) 反射鏡74的污染程度及懸浮在廢氣中的微粒狀況而變化，并不固定。
因此，分析裝置79根據(jù)來自差分^r測器77的差分信號和來自I/V 轉(zhuǎn)換器80的測量受光強度信號這兩個信號，計算出當(dāng)一定光強度的測 量用激光從廢氣中透過時所得到的被標(biāo)準(zhǔn)化的吸收光譜。
因此，如圖7所示的氣體分析裝置中，差分信號和受光強度信號 這兩個信號被輸入到信號分析裝置79,使得輸入到分析裝置79的數(shù)字 形式的數(shù)據(jù)量較多。
可是，目前通常的測量系統(tǒng)中使用的信號轉(zhuǎn)換基板所采用的PCI 總線的容量約為100MB/sec,而因為氣體分析裝置也使用這種通常的信 號轉(zhuǎn)換基板，所以，進行l(wèi)MHz以上的數(shù)據(jù)采樣時，由于PCI總線的 容量使從A/D轉(zhuǎn)換器78被輸入到分析裝置79的數(shù)字形式的數(shù)據(jù)量受 到限制。圖7是在汽車的排氣路徑中的1個位置上對廢氣進行測定時的情 況說明，但是，由于通常是將廢氣凈化裝置安裝在汽車的排氣路徑上， 并需要在其前后等處進行廢氣的測定，所以通常需要在排氣路徑的多
個位置上進行廢氣的測定。而且，隨著氣體成分不同，所吸收的激光 的波長不同，因而當(dāng)增加作為測量對象的氣體成分時，激光的波段也
將擴大。因此，由于在增加測量對象氣體成分時，輸入到分析裝置79 的數(shù)據(jù)量也將增多，因此增加檢測位置會受到限制。
本發(fā)明是鑒于上述情況而實施的，其目的是提供一種氣體分析裝 置，通過減少從傳感器部輸入到分析裝置的信號數(shù)量，使輸入到分析 裝置的數(shù)據(jù)量降低，從而即使在多個位置設(shè)置傳感器部，也能夠?qū)崟r 地測定多種氣體成分的濃度。
本發(fā)明的氣體分析方法為，利用分波器把激光分波成測量用激光 和參照用激光，使該測量用激光從氣體中透過并用受光器接受，再根 據(jù)接受到的測量用激光的光強度和所述參照用激光的光強度確定被氣 體中的氣體成分所吸收的吸收光鐠，通過分析該吸收光譜而測定氣體 成分濃度，所述氣體分析方法的特征在于，將所述測量用激光通過光 衰減器照射到氣體中，并由所述光衰減器進行控制使從氣體中透過的 測量用激光的光強度與所述參照用激光的光強度之間具有規(guī)定的關(guān) 系。
此外，本發(fā)明的氣體分析裝置為，具有分波器，用于把從激光 發(fā)射部發(fā)射的激光分波成測量用激光和參照用激光；照射部，用于將 所述測量用激光照射到氣體中；測量光用受光部，用于接受從氣體中 透過的測量用激光；參照光用受光部，用于接受參照用激光，所述氣 體分析裝置的特征在于，將所述測量用激光通過光衰減器照射到氣體中，該光衰減器通過對其衰減率進行控制使由測量光用受光部接受到 的測量用激光的光強度與由參照光用受光部接受到的參照用激光的光 強度之間具有規(guī)定的關(guān)系。
本發(fā)明由于對光衰減器進行反饋控制以使由受光器接受到的測量 用激光的光強度與由受光器接受到的參照用激光的光強度之間具有規(guī) 定的關(guān)系，因此，由受光器接受到的測量用激光的光強度被控制為， 即使反射板的污染程度以及懸浮在氣體中的微粒狀況等發(fā)生變化，也 能一直與參照用激光的光強度具有規(guī)定的關(guān)系。因此，在本發(fā)明中， 由于能夠從參照用激光的光強度求取從氣體中透過的測量用激光的光 強度，不需要將測量用激光的光強度信號輸入到分析裝置，因而能夠 減少輸入到分析裝置的數(shù)據(jù)量，使增加測定位置及所測定的氣體成分 成為可能。
在本發(fā)明的優(yōu)選方式中，其特征在于，利用分波器將測量用激光 分波成多束，并將通過分波而得到的多束測量用激光照射到不同位置 的氣體中，從而測定多個位置的氣體中的氣體成分。
此外，本發(fā)明的氣體分析方法為，利用分波器把不同波段的多束 激光分別分波成測量光和參照光，將各測量光從光衰減器通過之后再 進行合波而作為測量用激光，在將該測量用激光從氣體中透過之后，
由波長分波器分波成所述波段的透射光；將各參照光進行合波并作為 參照用激光后，由波長分波器分波成所述波段的參照光；并且，從被 波長分波器分波的透射光的光強度和被波長分波器分波的參照光的光 強度，確定被氣體中的氣體成分所吸收的吸收光譜，通過分析該吸收 光譜而測定氣體成分濃度，所述氣體分析方法的特征在于，由所述光 衰減器進行控制使被所述波長分波器分波的透射光的光強度與同一波段的參照光的光強度之間具有規(guī)定的關(guān)系。
而且，本發(fā)明的氣體分析裝置包括多個激光發(fā)射部，用于發(fā)射 不同波段的激光；分波器，用于把不同波段的各個激光分波成測量光 和參照光；合波器，用于將不同波段的多個測量光進行合波而作為測 量用激光；合波器，用于將不同波段的多個參照光進行合波而作為參 照用激光；照射部，用于將所述測量用激光照射到氣體中；波長分波 器，用于把從氣體中透過的測量用激光分波成所述波段的透射光；波 長分波器，用于把所述參照用激光分波成所述波段的參照光，所述氣 體分析裝置的特征在于，所述各測量光從光衰減器中通過并在所述合 波器中被合波，該光衰減器通過對其衰減率進行控制使由波長分波器 分波的透射光的光強度與同一波段的參照光的光強度之間具有規(guī)定的 關(guān)系。
本發(fā)明利用分波器把不同波段的多束激光分別分波成測量光和參 照光，將各測量光從光衰減器通過之后再進行合波而作為測量用激光， 在將該測量用激光從氣體中透過之后，由波長分波器分波成所述波段 的測量用激光，而且，由于將各參照光進行合波并作為參照用激光， 再由波長分波器分波成所述波段的參照光用激光，因此能夠從被波長 分波器分波的測量用激光的光強度和被波長分波器分波的參照用激光 的光強度，確定被氣體中的氣體成分所吸收的吸收光譜，并通過分析 該吸收光語而測定氣體成分濃度。此外，由于通過對其衰減率進行控 制使被波長分波器分波的透射光的光強度與同一波段的參照光的光強 度之間具有規(guī)定的關(guān)系，因而不需要再將被波長分波器分波的透射光 的光強度信號輸入到分析裝置中。因此，能夠減少輸送到分析裝置的 數(shù)據(jù)量，從而能夠在分析裝置的PCI總線容量范圍內(nèi)，在多個位置上分析包含在廢氣中的多種氣體成分并測量其濃度等。因此，本發(fā)明能
夠一次求取氨(1530nm)、 一氧化碳(1560nm )、 二氧化》友(1570nm )、 甲烷(1680nm)、水(1350nm)等的濃度。
在本發(fā)明的優(yōu)選方式中，其特征在于，通過進行時間分割，使發(fā) 射不同波段的激光的多個激光發(fā)射部分別在不同的時間發(fā)射，由此， 能夠使發(fā)送到分析裝置的數(shù)據(jù)量減少，并且不會混入不同波段的分析 數(shù)據(jù)，從而能夠穩(wěn)定地測定氣體成分的濃度。
而且，在本發(fā)明的優(yōu)選方式中，其特征在于，不同波段的各激光 是利用分波器將從多個激光發(fā)射部發(fā)射的不同波段的激光分成多束而 獲得的，通過將多束測量用激光照射到不同位置的氣體中，從而測定 多個位置的氣體中的氣體成分濃度。
本說明書包含記載于作為本申請的優(yōu)先權(quán)基礎(chǔ)的日本國專利申請 2006-226731號的說明書W或附圖中的內(nèi)容。


圖1為表示第1實施方式的氣體分析裝置傳感器部的主要結(jié)構(gòu)的 分解立體圖。
圖2為包含實施方式中的激光振蕩/受光控制器的主要結(jié)構(gòu)及信號 分析裝置的氣體分析裝置的結(jié)構(gòu)框圖。
圖3為將本發(fā)明第2實施方式的氣體分析裝置安裝于發(fā)動機座上 的實施方式的主要結(jié)構(gòu)圖。
圖4為包含第2實施方式中的激光振蕩/受光控制器的主要結(jié)構(gòu)及 信號分析裝置的氣體分析裝置的結(jié)構(gòu)框圖。圖5為包含第3實施方式中的激光振蕩/受光控制器的主要結(jié)構(gòu)及
信號分析裝置的氣體分析裝置的結(jié)構(gòu)框圖。
圖6為包含第4實施方式中的激光振蕩/受光控制器的主要結(jié)構(gòu)及 信號分析裝置的氣體分析裝置的結(jié)構(gòu)框圖。
圖7為包含本申請人開發(fā)的氣體分析裝置中的激光振蕩/受光控制 器的主要結(jié)構(gòu)及信號分析裝置的結(jié)構(gòu)框圖。
圖8為用于對本發(fā)明中的吸收光譜進行說明的圖表。
符號說明
10、 IOA、 IOB、 10C:傳感器部，20:激光二才及管，
22、 22A、 22B、 22C:分波器，23、 24A、 24B、 24C:光衰減器，
25:受光器(檢波器)，27、 27A、 27B、 27C:差分檢測器，
28、 28A、 28B、 28C: A/D轉(zhuǎn)換器，29:分析裝置，
30: 1/V轉(zhuǎn)換器，31:衰減器控制器，
33: NO用激光二極管，34:氧氣用激光二極管，
35、 36:合波器，37、 38:波長分波器，
39: NO用受光器，40: NO用激光二極管，
41: NO參照光的受光器，42:氧氣用受光器，
43:氧氣用分波器，
51、 52、 53、 53A、 53B、 53C、 54:光纖，58: 1/V轉(zhuǎn)換器
具體實施例方式
以下根據(jù)附圖對本發(fā)明的氣體分析方法及氣體分析裝置進行詳細 說明。圖1為表示本實施方式的氣體分析裝置傳感器部的主要結(jié)構(gòu)的
分解立體圖，圖2為表示包含激光振蕩/受光控制器的主要結(jié)構(gòu)及作為 信號分析裝置的個人計算機的氣體分析裝置的整體結(jié)構(gòu)的框圖。
本發(fā)明的氣體分析裝置被構(gòu)成為，包括傳感器部10,設(shè)置在與 發(fā)動機相連的排氣管4、 5的排氣路徑上；激光振蕩/受光控制器6，發(fā) 射用于照射到廢氣中的激光，并輸入來自接受激光的受光部的電信號； 分析裝置7，其由個人計算機構(gòu)成，根據(jù)透過廢氣并接受到的激光的受 光強度和未透過廢氣的激光的受光強度，分析包含在廢氣中的成分和 其濃度。
傳感器部10如圖1所示，具有由厚度在例如5 20mm左右的板材 所形成的傳感器基座11，并在中心部形成有貫通孔12，該貫通孔12 的直徑與排氣管道部的內(nèi)徑大致相同。流動于排氣通道中的廢氣從貫 通孔12中通過。為了不擾亂排氣的流動，貫通孔12的形狀優(yōu)選為直 徑與排氣管道部的內(nèi)徑大致相同的圓形。作為板材可以使用金屬板材 及陶瓷制板材，在材質(zhì)上沒有特別要求。在傳感器基座ll上形成有從 外周面朝向貫通孔12貫通的兩個傳感器孔13、 14。在一側(cè)的傳感器孔 13上固定有收集激光的平行光管15,從而構(gòu)成照射部，并且在該平行 光管15上連接有照射激光的光纖53;而在另一側(cè)的傳感器孔14上固 定有接受激光的光電二極管等受光器(檢波器)25。
在傳感器基座11上固定有隔著貫通孔12而對置的上下兩塊反射 板17、 17。兩塊反射斧反17、 17以平行狀態(tài)凈皮固定，并3皮構(gòu)成為，使從照射側(cè)的光纖53通過平行光管15而被收集并照射的激光，首先從下 方的反射板17向上方反射，接著再從上方的反射板17向下方反射， 通過在兩塊反射板17、 17之間交替反射，從而到達受光側(cè)的受光器25。 由此，使激光在廢氣中的透過距離被設(shè)定得更長。
反射板17優(yōu)選由不會因廢氣而發(fā)生老化的材料形成，在作為基座 的板材上形成金、鉑等薄膜，并且在其上作為保護膜，優(yōu)選形成有MgF2 或Si02的薄膜。而且，反射板17優(yōu)選其反射率較高，以使其能夠高效 地反射激光。此外，由于反射板17在發(fā)動機起動過程中被暴露在廢氣 中，并被污物附著，因此優(yōu)選根據(jù)需要從凸緣部F、 F上卸下傳感器基 座11并進行清潔。
傳感器基座11以被凸緣部F、 F夾持的狀態(tài)配置，在凸緣部F、 F 與傳感器基座ll之間，通過未圖示的螺栓、螺母等，以被夾持的狀態(tài) 固定有墊圈9、 9。墊圏9由石棉等形成，并開有與排氣管內(nèi)徑相同直 徑的貫通孔。根據(jù)該構(gòu)造，即使在凸緣部F、 F之間夾持傳感器基座ll 并與排氣路徑連接，廢氣也不會中途泄漏，排氣徑路的長度增加也較少。
輸入激光到傳感器部10的光纖53，和在傳感器部10處接受從廢 氣中透過的激光并輸出電信號的受光器25連接在激光振蕩/受光控制 器6。即，構(gòu)成為，從激光振蕩/受光控制器6中的后述的激光二極管 射出的激光先通過光纖53，再通過傳感器基座11的傳感器孔13,照 射到貫通孔12內(nèi)，由反射板17、 17反射的激光從傳感器孔14穿過并 在受光側(cè)的受光器25處被接受，從受光器25輸出的電信號通過電纜 62而被輸入到激光振蕩/受光控制器6中。激光振蕩/受光控制器6為，用于發(fā)射激光，并輸入來自接受激光 的受光部的電信號，再將差分信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并輸出到作為分析
裝置29的計算機7中的構(gòu)件，如圖2所示，該激光振蕩/受光控制器6 具有激光二極管20、分波器22、光衰減器23、 A/D轉(zhuǎn)換器28、受 光器25、 26、差分檢測器27、 1/V轉(zhuǎn)換器30、衰減器控制裝置31。
并且，由激光二極管20照射的激光通過光纖51而被導(dǎo)入到分波 器22，并被分波器22分波成參照用激光和測量用激光。通過分波而得 到的測量用激光通過光纖52而被導(dǎo)入到光衰減器23,并在衰減器23 被衰減后通過光纖53而被導(dǎo)入到傳感器部10的照射部，再從照射部 照射到貫通孔12內(nèi)。照射到貫通孔12內(nèi)的激光乂人廢氣中透過之后， 被受光器25接受并被轉(zhuǎn)換成電信號。
在本實施方式中，其構(gòu)造為，如前文所述被分波器22分波的測量 用激光通過光衰減器23而被照射。該光衰減器23是用于調(diào)節(jié)照射到 廢氣中的測量用激光的光強度的構(gòu)件，其可以采用適當(dāng)形式的結(jié)構(gòu)， 例如在激光的光路中設(shè)置能改變透過率的濾光器，通過改變透射光 量而調(diào)節(jié)光強度的結(jié)構(gòu)；或者在光路中設(shè)置鏡面，通過改變鏡面的反 射角而調(diào)節(jié)光強度的結(jié)構(gòu)等。該光衰減器23被衰減器控制裝置31控 制其衰減率。
衰減器控制裝置31為用于使從廢氣中透過的測量用激光的光強度 與參照用激光的光強度一致的構(gòu)件，其被構(gòu)成為，使受光器25的電信 號61在I/V轉(zhuǎn)換器30進行I/V轉(zhuǎn)換后再被輸入。由于參照光從激光的 產(chǎn)生到接受為止沒有干擾因素，且只要激光輸出不變化參照光強度也 不會發(fā)生變化，因此由參照光用的受光器26接受的參照用激光的光強度是一定的，且該參照用激光的光強度被輸入到衰減器控制裝置31中。
衰減器控制裝置31將參照用激光的光強度與測量用激光的光強度之差 作為反饋補償量而輸出到光衰減器23處。
光衰減器23根據(jù)由衰減器控制裝置31輸入的反饋補償量，使測 量用激光衰減，將由受光器25接受的測量用激光的光強度調(diào)節(jié)為與由 受光器26接受的參照用激光的光強度相同。
通過該反饋控制，由受光器25接受的測量用激光被控制為，即使 反射板17的污染程度及懸浮在廢氣中的微粒狀態(tài)等發(fā)生變化，也一直 保持一定的光強度。因此，在本實施方式中，不需要將測量用激光的 光強度信號輸入到分析裝置29，因而能減少輸入到分析裝置的數(shù)據(jù)量。
差分檢測器27根據(jù)從廢氣中透過的測量用激光的電信號61和參 照用激光的電信號62計算出差分信號，該差分信號在例如未圖示的前 置放大器被增幅，并通過A/D轉(zhuǎn)換器28而被輸入到分析裝置29中。 分析裝置29根據(jù)來自差分檢測器27的差分信號，確定被廢氣中的氣 體成分所吸收的吸收光譜，通過分析該吸收光譜而測定廢氣的成分濃 度以及廢氣的溫度。
這里，氣體成分濃度C由以下的公式(1)計算。
C= _ ln(I/I0)/kL................(1)
在該公式(1)中，I為透射光強度、Io為入射光強度、k為吸收率、 L為透射距離。因此，根據(jù)相對于入射光強度(Io)的透射光強度U) 的比值，即信號強度(1/1。)，可計算出氣體成分的濃度C。在本實施方式 中，透射光強度I從接受測量用激光的受光器25輸出，入射光強度10 從接受未從氣體中透過的參照用激光的受光器26輸出。以下，對于采用前文所述構(gòu)造的本實施方式的氣體分析方法進行
說明。由激光二極管20發(fā)射的激光通過光纖51到達分波器22，被分 波器22分波而得的參照光通過光纖54而成為參照用激光，并在受光 器26處被轉(zhuǎn)換為電信號，且被作為入射光強度IQ而進行測量。
而且，被分波器22分波而得的測量光通過光衰減器23而成為測 量用激光，其通過光纖53而被導(dǎo)入到傳感器部10的照射部，并被照 射到有廢氣通過的貫通孔12內(nèi)。此時，由于光衰減器23被衰減器控 制裝置31進行反饋控制，以使從廢氣中透過的測量用激光的光強度與 參照用激光的光強度相同，因此在受光器25接受的測量用激光被控制 為，即使反射板17的污染程度及懸浮在廢氣中的微粒狀態(tài)等發(fā)生變化， 也一直保持一定的光強度。
此外，測量用激光重復(fù)在反射板17、 17之間的反射從而到達受光 器25。從廢氣中通過且衰減了的測量用激光在受光器25處作為透射光 強度I而被接受，并被轉(zhuǎn)換為電信號且輸入到差分檢測器27。測量用 激光通過被反復(fù)反射，使得從廢氣中透過的距離增大，由于所述公式 (1 )的透過距離L變長將使衰減量變大，因此能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的廢氣 成分濃度的測定。
在差分^r測器27計算出參照用激光與測量用激光之間的差，并將 差分信號輸入到分析裝置29中。分析裝置29確定被廢氣中的氣體成 分所吸收的吸收光譜，并計算出參照用激光的光強度與從廢氣中透過 而衰減的測量用激光的峰值波長的光強度之比(1/1()),從而計算出廢氣 中包含的氣體成分濃度。
在本實施方式中，雖然測量用激光通過光衰減器，而參照用激光不通過光衰減器，但是如果將參照用激光在光衰減器中調(diào)節(jié)至規(guī)定的 光強度，則能夠減輕后邊的分析裝置的處理負擔(dān)。
圖3、 4表示本發(fā)明的第2實施方式，圖3為將氣體分析裝置安裝 于發(fā)動機座上的實施方式的主要結(jié)構(gòu)圖，圖4為表示包含激光振蕩/受 光控制器的主要結(jié)構(gòu)及信號分析部的氣體分析裝置的整體結(jié)構(gòu)的框 圖。本實施方式為，在排氣路徑的三個位置設(shè)置傳感器部，并在各設(shè) 置位置上對廢氣中包含的氣體成分及其濃度進行分析及測定，氣體分 析裝置被構(gòu)成為，具有設(shè)置于排氣路徑中的三個位置上的多個傳感器 部IOA、 IOB、 IOC。其中，第l傳感器部IOA被設(shè)置在第l催化劑裝 置8A和其上游側(cè)的發(fā)動機2 —側(cè)的排氣管4之間，第2傳感器部10B 被設(shè)置在第1催化劑裝置8A的下游側(cè)，第3傳感器部10C設(shè)置在第2 催化劑裝置8B的下游側(cè)。
并且，分波器21是為了將由激光二極管20發(fā)射的激光導(dǎo)入到各 傳感器部IOA、 IOB、 10C而進行分波的構(gòu)件，被分波器21分波而得 到的激光通過光纖53A、 53B、 53C導(dǎo)入到分波器22A、 22B、 22C。被 光纖53A導(dǎo)入的激光在分波器22A處被分波為測量光和參照光，測量 光通過光衰減器23A成為測量用激光并在傳感器部10A處纟皮照射到廢 氣中。參照光通過光衰減器24A并在受光器26A處被轉(zhuǎn)換為電信號。 光衰減器24A、 24B、 24C用于將傳感器部IOA、 IOB、 IOC中的參照 光調(diào)節(jié)至相同光強度，由此能夠減少輸入到分析裝置29中的數(shù)據(jù)量。
而且，本實施方式的其他結(jié)構(gòu)與圖1、 2所示的實施方式的結(jié)構(gòu)相同。
圖3、 4所示的實施方式中，在排氣路徑的三個位置上設(shè)置傳感器部10A、 IOB、 10C,由于只需將來自各設(shè)置位置上的差分檢測器27A、 27B、 27C的差分信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并發(fā)送到分析裝置29中，即可 在排氣路徑的三個位置上求取廢氣中包含的氣體成分及其濃度，因此， 能夠?qū)腁/D轉(zhuǎn)換器28向分析裝置29發(fā)送的數(shù)據(jù)量抑制在信號轉(zhuǎn)換 線路板的PCI總線的容量范圍內(nèi)，從而增加測量點。
圖5表示本發(fā)明的第3實施方式的氣體分析裝置，本實施方式為， 在排氣路徑的1個位置上設(shè)置傳感器部并測定廢氣中包含的NO( —氧 化氮)和氧氣(02)的濃度。
從氣體中透過的激光的波長配合進行檢測的氣體成分而設(shè)定，例 如，適合于檢測氧氣(02)的波長為760nm，適合于檢測氨氣的波長 為1530nm，適合于檢測一氧化碳的波長為1560nm,適合于檢測一氧 化氮(NO)的波長為1796nm。
由于適合于檢測氧氣(02)的波長與適合于檢測NO的波長之間 在長度上相差很大，因而不能通過1個激光二極管發(fā)射激光。
因此，激光振蕩/受光控制器6具有發(fā)射用于測量NO濃度的激 光的NO用激光二極管33和發(fā)射用于測量氧氣濃度的激光的氧氣用激 光二極管34，并進行時間分割后，NO用激光二極管33與氧氣用激 光二極管34分別發(fā)射激光。
由NO用激光二極管33發(fā)射的NO用激光在光纖被導(dǎo)入到NO分波器 122中，并被分波成NO測量光和NO參照光。將通過分波而得到的 NO測量光和NO參照光分別通過光衰減器123、 223,并導(dǎo)入到測量 用合波器35和參照用合波器36。
由氧氣用激光二極管34發(fā)射的氧氣用激光在光纖被導(dǎo)入到02分波器222中，并被分波成氧氣測量光和氧氣參照光。通過分波而得到 的氧氣測量光和氧氣參照光分別經(jīng)過光衰減器323、 423，并導(dǎo)入到測 量用合波器35和參照用合波器36。
NO測量光和氧氣測量光在測量用合波器35 ^皮合波成測量用激光， 并從傳感器部IO的照射部照射到廢氣中，在從廢氣中透過時，特定波 長的激光被廢氣中的氧氣和NO吸收之后，根據(jù)波長而被波長分波器 37分波成NO透射光和氧氣透射光。NO透射光被NO用受光器39接 受并被轉(zhuǎn)換成電信號的NO測量受光強度信號61A,而后被發(fā)送到差 分檢測器27和I/V轉(zhuǎn)換器130中；氧氣透射光被氧氣用受光器40接受 并被轉(zhuǎn)換成電信號的氧氣測量受光強度信號61B，而后纟皮發(fā)送到差分 檢測器27和I/V轉(zhuǎn)換器230中。
NO參照光和氧氣參照光在參照光用合波器36被合波成參照光用 激光，并通過光纖被導(dǎo)入到波長分波器38中，且根據(jù)波長而被分波成 NO參照光和氧氣參照光。NO參照光被受光器41接受并被轉(zhuǎn)換成電 信號，而后被輸入到差分檢測器27中；氧氣參照光被氧氣用受光器42 接受并被轉(zhuǎn)換成電信號，而后被輸入到差分檢測器27中。
控制NO測量光的光強度的衰減器控制裝置131,根據(jù)被I/V轉(zhuǎn)換 器130進行了 I/V轉(zhuǎn)換的測量受光強度信號61A,而對光衰減器123 的衰減率進行反饋控制，以使NO透射光的光強度與NO參照光的光 強度相同。
此外，控制氧氣測量光的光強度的衰減器控制裝置231,根據(jù)被I/V 轉(zhuǎn)換器230進行了 I/V轉(zhuǎn)換的測量受光強度信號61B，而對光衰減器 323的衰減率進行反饋控制，以使氧氣透射光的光強度與氧氣參照光的光強度相同。
差分檢測器27將從廢氣中透過的NO透射光的光強度與未從廢氣 中透過的NO參照光的光強度進行差分從而計算出NO差分信號，將 計算出的NO差分信號在A/D轉(zhuǎn)換器28轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并輸出到分析 裝置(計算機)29中。此外，差分檢測器27將從廢氣中透過的氧氣透 射光的光強度與未從廢氣中透過的氧氣參照光的光強度進行差分從而 計算出氧氣差分信號，將計算出的氧氣差分信號在A/D轉(zhuǎn)換器28轉(zhuǎn)換 為數(shù)字信號并輸出到分析裝置(計算機)29中。
分析裝置29根據(jù)從A/D轉(zhuǎn)換器28輸入的NO透射光與NO參照 光的差分信號，確定被廢氣中的NO所吸收的NO吸收光譜，通過分 析NO吸收光譜而求取NO濃度，此外，分析裝置29根據(jù)從A/D轉(zhuǎn)換 器28輸入的氧氣透射光與氧氣參照光的差分信號，確定^L廢氣中的氧 氣所吸收的氧氣吸收光譜，通過分析氧氣吸收光譜而求取氧氣濃度。
在本實施方式中，由于衰減器控制裝置131對衰減器123的衰減 率進行反饋控制，使NO透射光的光強度與被設(shè)定為規(guī)定光強度的NO 參照光的光強度相同，并使NO透射光被控制為一直保持在所設(shè)定的 規(guī)定(一定)的光強度上，因此，分析裝置29能夠根據(jù)差分信號確定 以規(guī)定光強度的激光照射時所能得到的，被規(guī)范化了的NO吸收光譜。
此外，由于衰減器控制裝置231對衰減器223的衰減率進行反饋 控制，使氧氣透射光的光強度與被設(shè)定為規(guī)定光強度的氧氣參照光的 光強度相同，并使氧氣測量透射光被控制為一直保持在所設(shè)定的規(guī)定 (一定)的光強度上，因此，分析裝置29能夠根據(jù)差分信號確定以規(guī) 定光強度的激光照射時所獲得的，被規(guī)范化了的氧氣吸收光i普。因此，由于不再需要將NO測量受光強度信號61A和氧氣測量受 光強度信號61B輸入到分析裝置29中，因而能夠減少從A/D轉(zhuǎn)換器 28發(fā)送到分析裝置29的數(shù)據(jù)量。
在本實施方式中，由于在從廢氣中透過后，由NO測量光和氧氣 測量光合波而成的測量用激光在波長分波器37被分波成NO透射光和 氧氣透射光，而且，由NO參照光和氧氣參照光合波而成的參照用激 光在波長分波器38被分波成NO參照光和氧氣參照光，因此，能夠通 過反饋控制使NO透射光的光強度與NO參照光的光強度相同。
此外，本實施方式中，由于NO用激光二極管33和氧氣用激光二 極管34,通過進行時間分割而分別發(fā)射各自的激光，因而能夠進一步 減少輸入到分析裝置29中的數(shù)據(jù)量，并且不用擔(dān)心NO測量用數(shù)據(jù)與 氧氣測量用數(shù)據(jù)之間的相互混入。
而且，由于將氧氣透射光和NO透射光在波長分波器37、 38進行 分波，并在受光器39、 40、 41、 42接受，從而能夠選擇適合于所接受 的激光波長的受光器，因此能夠提高受光精度。
在上述說明中，雖然NO用激光二極管33和氧氣用激光二極管34 為通過進行時間分割而分別發(fā)射各自的激光，但是也可以采用持續(xù)發(fā) 射的方式。
圖6表示本發(fā)明的第4實施方式的氣體分析裝置，本實施方式為， 在排氣路徑的三個位置上設(shè)置傳感器部10A、 10B、 10C，并對廢氣中 包含的NO ( —氧化氮)和02 (氧氣)的濃度進行測定。
本實施方式為，NO用分波器122將由NO用激光二極管33發(fā)射 的激光分波成6束，并作為NO測量光和NO參照光而輸送到各自的測量位置上，此外，氧氣用分波器222將由氧氣用激光二極管34發(fā)射 的激光分波成6束，并作為氧氣測量光和氧氣參照光而輸送到各自的 測量位置上。對在NO用分波器122處通過分波而得到的NO參照光 進行衰減的光衰減器323A、 323B、 323C，其分別對衰減率進行設(shè)定， 使各自的NO參照光具有相同的光強度。并且，對在氧氣用分波器222 通過分波而得到的氧氣參照光進行衰減的光衰減器423A、423B、423C, 其分別對衰減率進行設(shè)定，使各自的氧氣參照光具有相同的光強度， 由此，分析裝置29的處理負擔(dān)被減輕。
在本實施方式中，雖然在排氣路徑的三個位置上設(shè)置傳感器部 10A、 10B、 10C，從而對廢氣中包含的NO (—氧化氮)和02 (氧氣) 的濃度進行測定，但是因為輸入到分析裝置29中的信號只需來自差分 檢測器27A、 27B、 27C的三個即可，所以能夠在信號轉(zhuǎn)換基板的PCI 總線的容量范圍內(nèi)增加測量位置。
以上對本發(fā)明的實施方式進行了詳細說明，但是，本發(fā)明并不限 定于所述的實施方式，在不脫離本發(fā)明權(quán)利要求范圍所記載的本發(fā)明 精神的范圍內(nèi)，可以進行各種設(shè)計變更。
雖然在所述實施方式中，通過衰減器控制裝置對光衰減器進行反 饋控制，以使從廢氣中透過的測量用激光的光強度與參照用激光的光 強度相同，但是，并不是必須使從廢氣中透過的測量用激光與參照用 激光的光強度相同。只要通過光衰減器對從氣體中透過的測量用激光 的光強度進行控制使其與參照用激光的光強度之間具有規(guī)定的關(guān)系， 就能夠在分析裝置29中使從氣體中透過的測量用激光的光強度與所述 參照用激光的光強度相同。例如，如果對從氣體中透過的測量用激光 的光強度進行控制使其為參照用激光的光強度的P倍，則在分析裝置29中，通過將參照用激光的光強度設(shè)為原來的P倍，即可使從氣體中 透過的測量用激光與參照用激光的光強度相同。
此外，雖然在上述實施方式中，本發(fā)明的氣體分析裝置是在汽車 的排氣管中設(shè)置傳感器部10并對從發(fā)動機排出的廢氣的氣體成分進行 分析，但是，本發(fā)明并不限定于汽車的排氣管，只要是流動于管道等 中的氣體，通過在該管道中設(shè)置傳感器部10,即可對流動于管道內(nèi)的 氣體成分進行實時分析。
工業(yè)利用性
本發(fā)明由于將測量用激光從光衰減器中通過而照射到氣體中，并 通過所述光衰減器進行控制使從氣體中透過的測量用激光的光強度與 參照用激光的光強度之間具有規(guī)定的關(guān)系，因而不需要將從氣體中透 過的測量用激光的光強度的數(shù)據(jù)輸入到分析裝置中。因此，能夠減少 輸入到分析裝置中的數(shù)據(jù)量，該分析裝置用于根據(jù)從氣體中透過的測 量用激光和未從氣體中透過的參照用激光而對氣體中所包含的氣體成 分進行分析，從而，能夠在多個位置上對氣體中包含的多種氣體成分 濃度實時地進行分析及測定。
本說明書中引用的全部出版物、專利及專利申請直接作為參考而 引入本說明書。
權(quán)利要求
1、一種氣體分析方法，利用分波器把激光分波成測量用激光和參照用激光，使該測量用激光從氣體中透過并用受光器接受，再根據(jù)接受到的測量用激光的光強度和所述參照用激光的光強度確定被氣體中的氣體成分所吸收的吸收光譜，通過分析該吸收光譜而測定氣體成分濃度，所述氣體分析方法的特征在于，將所述測量用激光通過光衰減器照射到氣體中，并由所述光衰減器進行控制使實際從氣體中透過的測量用激光的光強度與所述參照用激光的光強度之間具有規(guī)定的關(guān)系。
2、 如權(quán)利要求1所述的氣體分析方法，其特征在于，利用分波器將所述測量用激光分波成多束，并將通過分波而得到 的多束測量用激光照射到不同位置的氣體中，從而測定多個位置的氣 體中的氣體成分濃度。
3、 如權(quán)利要求1或2所述的氣體分析方法，其特征在于， 所述參照用激光通過光衰減器而被設(shè)定為規(guī)定的光強度。
4、 一種氣體分析方法，利用分波器把不同波段的多束激光分別分 波成測量光和參照光，將各測量光從光衰減器通過之后再進行合波而 作為測量用激光，在將該測量用激光從氣體中透過之后，由波長分波 器分波成所述波段的透射光；將各參照光進行合波并作為參照用激光 后，由波長分波器分波成所述波段的參照光；并且，從被波長分波器 分波的透射光的光強度和被波長分波器分波的參照光的光強度，確定被氣體中的氣體成分所吸收的吸收光譜，通過分析該吸收光譜而測定 氣體成分濃度，所述氣體分析方法的特征在于，由所述光衰減器進行控制使被所述波長分波器分波的透射光的光 強度與同 一波段的參照光的光強度之間具有規(guī)定的關(guān)系。
5、 如權(quán)利要求4所述的氣體分析方法，其特征在于，通過進行時間分割，使所述不同波段的多束激光分別在不同的時 間發(fā)射。
6、 如權(quán)利要求4或5所述的氣體分析方法，其特征在于，所述不同波段的多束激光是用分波器對由不同的激光二極管發(fā)射 的激光分波成多束而獲得的，通過將合波后的所述測量用激光照射到 不同位置的氣體中，從而測定多個位置上的氣體成分濃度。
7、 一種氣體分析裝置，包括分波器，用于把從激光發(fā)射部發(fā)射 的激光分波成測量用激光和參照用激光；照射部，用于將所述測量用 激光照射到氣體中；測量光用受光部，用于接受從氣體中透過的測量 用激光；參照光用受光部，用于接受參照用激光；所述氣體分析裝置，根據(jù)所述測量光用受光部接受到的測量用激 光的光強度和參照光用受光部接受到的參照用激光的光強度，確定被 氣體中的氣體成分所吸收的吸收光譜，并通過分析該吸收光i普而測定 氣體成分濃度，所述氣體分析裝置的特征在于，所述測量用激光從光衰減器通過并由照射部照射，該光衰減器通 過對其衰減率進行控制使由測量光用受光部接受到的測量用激光的光 強度與由參照光用受光部接受到的參照用激光的光強度之間具有規(guī)定 的關(guān)系。
8、 如權(quán)利要求7所述的氣體分析裝置，其特征在于，利用分波器把所述測量用激光分波成多束，并將通過分波而得到 的多束測量用激光照射到不同位置的氣體中，從而測定多個位置的氣 體中的氣體成分濃度。
9、 如權(quán)利要求7或8所述的氣體分析裝置，其特征在于，所述參 照用激光通過光衰減器而被設(shè)定為規(guī)定的光強度。
10、 一種氣體分析裝置，包括多個激光發(fā)射部，用于發(fā)射不同 波段的激光；分波器，用于把不同波段的各個激光分波成測量光和參 照光；合波器，用于將不同波段的多個測量光進行合波而作為測量用 激光；合波器，用于將不同波段的多個參照光進行合波而作為參照用 激光；照射部，用于將所述測量用激光照射到氣體中；波長分波器， 用于把從氣體中透過的測量用激光分波成所述波段的透射光；波長分 波器，用于把所述參照用激光分波成所述波段的參照光，所述氣體分析裝置，從被所述波長分波器分波的透射光的光強度 和被所述波長分波器分波的參照光的光強度，確定被氣體中的氣體成 分所吸收的吸收光語，通過分析該吸收光譜而測定氣體成分濃度，所述氣體分析裝置的特征在于，所述各測量光從光衰減器中通過并在所述合波器中被合波，該光衰減器通過對其衰減率進行控制使由波長分波器分波的透射光的光強 度與同一波段的參照光的光強度之間具有規(guī)定的關(guān)系。
11、 如權(quán)利要求IO所述的氣體分析裝置，其特征在于，通過進行時間分割，使發(fā)射所述不同波段的激光的多個激光發(fā)射 部分別在不同的時間發(fā)射。
12、 如權(quán)利要求10或11所述的氣體分析裝置，其特征在于，所述不同波段的各激光是利用分波器將從多個激光發(fā)射部發(fā)射的 不同波^R的激光分成多束而獲得的，通過將多束測量用激光照射到不 同位置的氣體中，從而測定多個位置的氣體中的氣體成分濃度。
全文摘要
本發(fā)明以提供一種氣體分析裝置為目的，通過減少從傳感器部輸入到分析裝置中的信號數(shù)并減少被傳輸?shù)椒治鲅b置中的數(shù)據(jù)量，從而降低被輸入到分析裝置中的數(shù)據(jù)量，并通過在多個位置上設(shè)置傳感器單元，從而能夠?qū)崟r地測定多個位置上的氣體中的氣體成分濃度。本發(fā)明的氣體分析方法為，利用分波器(22)將激光分波成測量用激光和參照用激光，使該測量用激光從氣體中透過并利用受光器(25)接受，再根據(jù)接受到的測量用激光的光強度和所述參照用激光的光強度確定被氣體中的氣體成分所吸收的吸收光譜，通過分析該吸收光譜而測定氣體成分濃度的氣體分析方法，在本方法中，將所述測量用激光從光衰減器(23)中通過并照射到氣體中，通過對所述光衰減器進行控制從而使從氣體中透過的測量用激光的光強度與所述參照用激光的光強度之間具有規(guī)定的關(guān)系。
文檔編號G01N21/35GK101506646SQ20078003038
公開日2009年8月12日 申請日期2007年8月23日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月23日
發(fā)明者出口祥啟, 后藤勝利, 山蔭正裕, 淺海慎一郎, 深田圣, 牟田研二 申請人:豐田自動車株式會社;三菱重工業(yè)株式會社