JP4896267B1

JP4896267B1 - ガス分析装置

Info

Publication number: JP4896267B1
Application number: JP2011164938A
Authority: JP
Inventors: 伸戸倉; 幸太郎高橋
Original assignee: Best Instruments Co Ltd
Current assignee: Best Instruments Co Ltd
Priority date: 2011-07-28
Filing date: 2011-07-28
Publication date: 2012-03-14
Anticipated expiration: 2031-07-28
Also published as: JP2013029395A

Abstract

【課題】ガス導入管入口およびガス排出管出口付近の外部（大気）圧力が変化しても、ガスセル内の圧力を一定に維持し得るガス分析装置を提供する。
【解決手段】ガスセル１と、ガスセルに接続されたガス導入管２およびガス排出管３と、ガス導入管に設けられた第１のポンプ４と、ガス導入管の第１のポンプの下流側に接続された分岐管５と、分岐管に設けられた第１の背圧弁７と、ガス排出管に設けられた第２のポンプ８と、ガス排出管の第２のポンプの上流側に設けられた第２の背圧弁９と、ガスセル内を流れるサンプルガスに含まれる特定のガス成分の濃度を検出するための検出ユニットを備える。第１の背圧弁が、ガス導入管内の分岐点より下流側の圧力がガスセル上流側圧力設定値に維持されるように動作し、第２の背圧弁が、ガスセル内の圧力またはガス排出管内の第２の背圧弁の上流側の圧力がガスセル内圧力設定値に維持されるように動作する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃焼排ガスのガス成分を分析するガス分析装置に関するものである。

自動車排出ガス中には、一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）、窒素酸化物（ＮＯ_Ｘ）、非メタン炭化水素（ＮＭＨＣ）等の大気汚染の原因となる数多くの有害物質が含まれている。そこで、自動車排出ガスによる大気汚染を軽減するため、日米欧を中心に排出ガス規制が行われ、この規制において、自動車排出ガス中に含まれる大気汚染物質の上限量が定められている。

また、自動車排出ガス規制においては、試験モードが定められており、例えば、日本のＪＣ０８モードや、米国のＬＡ４モード等の試験モードがよく知られている。
そして、排出ガスの測定試験は、車両をシャシ・ダイナモメータ上に載せて、規定の試験モードで走行させ、その試験期間中の排出ガス中の大気汚染物質の量を定められた測定法に基づいて測定することによって実行される。この大気汚染物質の測定は、ガス分析装置を使用して行われる。

ガス分析装置は、基本的に、ガスセルと、ガスセルの入口に接続されたガス導入管と、ガスセルの出口に接続されたガス排出管と、ガス導入管およびガス排出管のうちの少なくとも一方に設けられたポンプと、ガスセル内を通過するサンプルガスに含まれる特定のガス成分を検出する検出器とから構成されている。
そして、サンプルガスがガス導入管の入口から取入れられてガスセル内を通過した後、ガス排出管の出口から排出され、ガスセルにおいて、サンプルガスに含まれる特定のガス成分が検出され、その濃度が測定されるようになっている。

したがって、ガス分析装置によってガス成分の正確な濃度測定を行うには、ガスセル内の圧力を一定に維持しておく必要がある。
この場合、ガス分析装置の作動中にガス導入管の入口付近やガス排出管の出口付近の大気圧が変化すると、ポンプの負荷が変動してガスセル内の圧力が変化する。その結果、ガスセル内のサンプルガスの濃度が変化し、ガス成分の正確な濃度測定が行えなくなる。

ところで、シャシ・ダイナモメータを用いた従来の排出ガス測定試験は、車両が路上を走行している状態を建屋内（実験室内）で再現するものであり、試験期間中、大気圧が変化することはなく、よって従来のガス分析装置による高精度の測定が可能であった。

しかし、近年、米国や欧州では、ガス分析装置を搭載した車両を、実際に一般道において試験モードで走行させ、走行時の排出ガス中の大気汚染物質の量を測定することが提案されており、この試験法が自動車排出ガス規制において採用される方向にある。
このように車両を一般道において走行させた場合、車両は地形の高低差をぬって走るので、試験走行中に、ガス分析装置のガス導入管の入口およびガス排出管の出口付近において大気圧が刻々と変化する。したがって、上述のようなガス分析装置では、ガス濃度の測定を正確に行えないという問題があった。

これに対し、従来技術においては、例えば、ガス導入管の入口圧力が変化しても、ガスセル内の圧力が一定に維持されるようにしたガス分析装置（例えば、特許文献１参照）や、ガス排出管の出口圧力が変化しても、ガスセル内の圧力が一定に維持されるようにしたガス分析装置（例えば、特許文献２参照）が知られているが、ガス導入管の入口およびガス排出管の出口付近の大気圧が変化した場合に、ガスセル内の圧力変動が生じないような構成を備えたものはなかった。

実開平５−７７７５０号公報特開２００３−１４５９１号公報

したがって、本発明の課題は、ガス導入管の入口およびガス排出管の出口の付近の大気圧が変化しても、ガスセル内の圧力を一定に維持することができるガス分析装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明によれば、入口および出口を有し、内部をサンプルガスが流れるガスセルと、一端が前記ガスセルの入口に接続され、他端が大気開放されたガス導入管と、一端が前記ガスセルの出口に接続され、他端が大気開放されたガス排出管と、前記ガス導入管に設けられ、前記ガスセルにサンプルガスを供給する第１のポンプと、前記ガス導入管における前記第１のポンプの下流側に接続された分岐管と、前記分岐管に設けられた、電動式比例制御バルブからなる第１の背圧弁と、前記ガス導入管内の前記分岐管との接続部より下流側の圧力を検出する第１の圧力センサと、前記ガス排出管に設けられ、前記ガスセルからサンプルガスを排出する第２のポンプと、前記ガス排出管における前記第２のポンプの上流側に設けられた、電動式比例制御バルブからなる第２の背圧弁と、前記ガス排出管内の前記第２の背圧弁の上流側の圧力、または前記ガスセル内の圧力を検出する第２の圧力センサと、前記ガスセル内を流れるサンプルガスに含まれる特定のガス成分の濃度を検出するための検出ユニットと、を備えており、前記第１の背圧弁の開度が、前記第１の圧力センサの検出値がガスセル上流側圧力設定値になるように調節されるとともに、前記第２の背圧弁の開度が、前記第２の圧力センサの検出値がガスセル内圧力設定値になるように調節されることによって、前記ガス導入管の他端の開口付近および前記ガス排出管の他端の開口付近の大気圧が変化しても、前記ガスセル内の圧力が一定に維持されるものであることを特徴とするガス分析装置が提供される。

本発明の好ましい実施例によれば、前記分岐管における前記第１の背圧弁の下流側に、サンプルガスを排出するための第３のポンプが備えられる。
本発明の別の好ましい実施例によれば、前記分岐管における前記第１の背圧弁の下流側が、前記ガス排出管における前記第２の背圧弁と前記第２のポンプとの間に接続されている。
本発明のさらに別の好ましい実施例によれば、前記検出ユニットは、フーリエ変換型赤外分光光度計、または非分散型赤外線検出器、または化学発光検出器、または磁気式検出器、または水素炎イオン検出器、または炎光光度計、または量子カスケード赤外差分吸収分光計、または質量分析計、またはキャビティリングダウン分光計、またはマイクロ波吸収式検出器からなっている。

本発明によれば、入口が大気開放されたガス導入管の第１のポンプよりも下流側に分岐管を接続し、分岐管に電動式比例制御バルブからなる第１の背圧弁を設け、また、ガス導入管内の分岐管との接続部より下流側の圧力を検出する第１の圧力センサを配置するとともに、出口が大気開放されたガス排出管の第２のポンプよりも上流側に電動式比例制御バルブからなる第２の背圧弁を設け、また、ガス排出管内の第２の背圧弁の上流側の圧力、またはガスセル内の圧力を検出する第２の圧力センサを配置した。そして、第１の背圧弁の開度を、第１の圧力センサの検出値がガスセル上流側圧力設定値になるように調節するとともに、第２の背圧弁の開度を、第２の圧力センサの検出値がガスセル内圧力設定値になるように調節するようにした。それによって、ガス導入管の入口付近の大気圧が変化した場合は、第１のポンプの負荷が変動し、第１のポンプの出口側の圧力が変化するが、この圧力変化は第１の背圧弁により分岐管を通じて迅速に制御され、ガスセル内の圧力に影響を及ぼすことがなく、また、ガス排出管の出口付近の大気圧が変化した場合は、第２のポンプの負荷が変動し、第２のポンプの入口側の圧力が変化するが、この圧力変化は第２の背圧弁によって迅速に制御され、ガスセル内の圧力に影響を及ぼすことがない。
そして、本発明によれば、ガス分析装置を車両に搭載し、高度差のある一般路上を走行させながら、排出ガスに含まれる特定のガス成分の濃度測定を高精度で行うことができる。

本発明の１実施例によるガス分析装置の構成を示すブロック図である。本発明の別の実施例によるガス分析装置の構成を示すブロック図である。

以下、添付図面を参照して本発明の好ましい実施例について説明する。図１は、本発明の１実施例による可搬型排ガス分析装置のブロック図である。図１を参照して、本発明によるガス分析装置は、入口１ａおよび出口１ｂを有し、内部をサンプルガスが流れるガスセル１と、一端がガスセル１の入口１ａに接続され、他端が大気開放されたガス導入管２と、一端がガスセル１の出口１ｂに接続され、他端が大気開放されたガス排出管３を備えている。

そして、ガス導入管２には、ガスセル１にサンプルガスを供給するための第１のポンプ４が設けられる。
また、ガス導入管２における第１のポンプ４の下流側には、分岐管５が接続され、分岐管５には、第１の背圧弁７が設けられる。この実施例では、第１の背圧弁７は背圧レギュレータからなっている。

ガス排出管３には、ガスセル１からサンプルガスを排出するための第２のポンプ８が設けられる。
また、ガス排出管３における第２のポンプ８の上流側には、第２の背圧弁９が設けられる。この実施例では、第２の背圧弁９は背圧レギュレータからなっている。

また、図示はしないが、本発明によるガス分析装置は、ガスセル１内を流れるサンプルガスに含まれる特定のガス成分の濃度を検出するための検出ユニットを備えている。
検出ユニットは、フーリエ変換型赤外分光光度計、または非分散型赤外線検出器、または化学発光検出器、または磁気式検出器、または水素炎イオン検出器、または炎光光度計、または量子カスケード赤外差分吸収分光計、または質量分析計、またはキャビティリングダウン分光計、またはマイクロ波吸収式検出器からなっている。
この場合、検出ユニットの選択は、検出すべきガス成分の種類に依存する。例えば、ＣＯ、ＣＯ_２等の検出には非分散型赤外線検出器が使用され、ＮＯ_Ｘの検出には化学発光検出器が使用され、Ｏ_２の検出には磁気式検出器が使用される。

こうして、第１の背圧弁７の圧力調節スプリングが、ガス導入管２内の分岐管５との接続部（分岐点６）より下流側の圧力がガスセル上流側圧力設定値になるように予め調節され、また、第２の背圧弁９の圧力調節スプリングが、ガスセル１内の圧力、またはガス排出管３内の第２の背圧弁９の上流側の圧力がガスセル内圧力設定値になるように予め調節される。
それによって、ガス導入管２の入口（他端の開口）付近およびガス排出管３の出口（他端の開口）付近の大気圧が変化しても、ガスセル１内の圧力が一定に維持される。

以下、本発明のガス分析装置のこの圧力制御動作を、具体的に説明する。
今、ガス分析装置のガスセル上流側圧力設定値およびガスセル内圧力設定が、それぞれ、１０５０ｈＰａおよび９００ｈＰａである場合を考える。
ガス導入管２の入口付近およびガス排出管３の出口付近の大気圧が１０１３ｈＰａになると、第１のポンプ４については、入口側の圧力が１０１３ｈＰａ、出口側の圧力が１０５０ｈＰａとなり、第２のポンプ８については、入口側の圧力が９００ｈＰａ、出口側の圧力が１０１３ｈＰａとなる。

このとき、第１のポンプ４の入口側と出口側の圧力差は３７ｈＰａであり、第２のポンプ８の入口側と出口側の圧力差は１１３ｈＰａであるから、第１のポンプ４の負荷は第２のポンプ８の負荷よりも小さい。その結果、ガスセル１の上流側では、第１のポンプ４を通じてガス導入管２内に流入するサンプルガス流量が増大し、ガス導入管２内の圧力が上昇傾向になるが、それに応答して、第１の背圧弁７の開度が大きくなるので、ガス導入管２内の余剰圧力は、分岐管５を通じて外部に逃がされ、ガスセル上流側圧力設定値が維持されるように制御がなされる。
同時に、ガスセル１の下流側では、第２のポンプ８の負荷が大きいことから、それに応答して、第２の背圧弁の開度が大きくなり、ガスセル内圧力設定値が維持されるように制御がなされる。

大気圧が８００ｈＰａになると、第１のポンプ４については、入口側の圧力が８００ｈＰａ、出口側の圧力が１０５０ｈＰａとなり、第２のポンプ８については、入口側の圧力が９００ｈＰａ、出口側の圧力が８００ｈＰａとなる。
このとき、第１のポンプ４の入口側と出口側の圧力差は２５０ｈＰａであり、第２のポンプ８の入口側と出口側の圧力差は−１００ｈＰａであるから、第１のポンプ４の負荷は第２のポンプ８の負荷よりも大きい。その結果、ガスセル１の上流側では、第１のポンプ４を通じてガス導入管２内に流入するサンプルガス流量が減少し、ガス導入管２内の圧力が下降傾向になるが、それに応答して、第１の背圧弁７の開度が小さくなり、ガスセル上流側圧力設定値が維持されるように制御がなされる。
同時に、ガスセル１の下流側では、第２のポンプ８の負荷が小さいことから、それに応答して、第２の背圧弁の開度が小さくなり、ガスセル内圧力設定値が維持されるように制御がなされる。

こうして、ガス導入管２の入口付近およびガス排出管３の出口付近の大気圧が変化しても、ガスセル内の圧力が常に一定に維持され、よって、ガスセル内を流れるサンプルガスの濃度が常に一定に維持される。その結果、ガス導入管２の入口付近およびガス排出管３の出口付近の大気圧が変化する環境においても、ガス分析装置による測定を常に高精度で行うことができる。

本発明のガス分析装置を車両に搭載する場合の一例として、ガス分析装置のガスセルおよび検出ユニットを含む主要部が自動車のトランクやトラックの荷台等に置かれ、また、ガス導入管の入口が車両のマフラーの出口から内部に差し込まれ、そして、ガス排出管の出口が車両の外部に向けられるような状態でセットされる。

そして、車両が一般道を走行し、地形の高低差をぬって走り、ガス分析装置のガス導入管の入口付近およびガス排出管の出口付近において大気圧が刻々と変化しても、ガスセル内の圧力は一定に維持され、それによって、排出ガス中の特定のガス成分の濃度が正確に測定される。

本発明の構成は、図１に示した実施例に限定されない。例えば、図１の実施例では、第１および第２の背圧弁として背圧レギュレータを用いたが、背圧レギュレータの代わりに、電動式比例制御バルブを用いることもできる。

図２は、第１および第２の背圧弁として電動式比例制御バルブを用いた場合の装置構成例を示すブロック図である。図２中、図１の実施例と同じ構成要素には同一番号を付し、詳細な説明を省略する。
図２を参照して、この実施例では、第１の背圧弁７’は電動式比例制御バルブからなっている。さらに、ガス導入管２内の分岐管５との接続部（分岐点６）より下流側の圧力を検出する第１の圧力センサ１０が備えられる。そして、第１の背圧弁７’の開度が、第１の圧力センサ１０の検出値がガスセル上流側圧力設定値になるように調節される。

第２の背圧弁９’もまた電動式比例制御バルブからなっており、また、ガス排出管３内の第２の背圧弁９’の上流側の圧力、またはガスセル１内の圧力を検出する第２の圧力センサ１１が備えられる。そして、第２の背圧弁９’の開度が、第２の圧力センサ１１の検出値がガスセル内圧力設定値になるように調節される。
図２の実施例もまた、図１の実施例と同様の作用効果を奏することは言うまでもない。

図２の実施例では、第１および第２の背圧弁の両方を電動式比例制御バルブから構成したが、第１および第２の背圧弁のうちの一方を背圧レギュレータから構成し、他方を電動式比例制御バルブから構成することもできる。

図示はしないが、さらに別の好ましい実施例によれば、分岐管５における第１の背圧弁７の下流側に、サンプルガスを排出するための第３のポンプが備えられ、もしくは、分岐管５における第１の背圧弁７の下流側が、ガス排出管３における第２の背圧弁９と第２のポンプとの間に接続される。この実施例によれば、第３のポンプもしくは第２のポンプ８によって、第２の背圧弁７を通じた分岐管５の排気能力が高められ、ガスセル上流側圧力値を、ガス導入管２の入口付近およびガス排出管３の出口付近の大気圧に対して負圧に設定することができ、それによって、ガスセル１に供給されるサンプルガスの流速を早めることができ、また、ガス導入管２へのサンプルガスの成分吸着を緩和することができる。

１ガスセル
１ａ入口
１ｂ出口
２ガス導入管
３ガス排出管
４第１のポンプ
５分岐管
６分岐点
７、７’ 第１の背圧弁
８第２のポンプ
９、９’ 第２の背圧弁
１０第１の圧力センサ
１１第２の圧力センサ

Claims

入口および出口を有し、内部をサンプルガスが流れるガスセルと、
一端が前記ガスセルの入口に接続され、他端が大気開放されたガス導入管と、
一端が前記ガスセルの出口に接続され、他端が大気開放されたガス排出管と、
前記ガス導入管に設けられ、前記ガスセルにサンプルガスを供給する第１のポンプと、
前記ガス導入管における前記第１のポンプの下流側に接続された分岐管と、
前記分岐管に設けられた、電動式比例制御バルブからなる第１の背圧弁と、
前記ガス導入管内の前記分岐管との接続部より下流側の圧力を検出する第１の圧力センサと、
前記ガス排出管に設けられ、前記ガスセルからサンプルガスを排出する第２のポンプと、
前記ガス排出管における前記第２のポンプの上流側に設けられた、電動式比例制御バルブからなる第２の背圧弁と、
前記ガス排出管内の前記第２の背圧弁の上流側の圧力、または前記ガスセル内の圧力を検出する第２の圧力センサと、
前記ガスセル内を流れるサンプルガスに含まれる特定のガス成分の濃度を検出するための検出ユニットと、を備えており、前記第１の背圧弁の開度が、前記第１の圧力センサの検出値がガスセル上流側圧力設定値になるように調節されるとともに、前記第２の背圧弁の開度が、前記第２の圧力センサの検出値がガスセル内圧力設定値になるように調節されることによって、前記ガス導入管の他端の開口付近および前記ガス排出管の他端の開口付近の大気圧が変化しても、前記ガスセル内の圧力が一定に維持されるものであることを特徴とするガス分析装置。
前記分岐管における前記第１の背圧弁の下流側に、サンプルガスを排出するための第３のポンプを備えたことを特徴とする請求項１に記載の装置。
前記分岐管における前記第１の背圧弁の下流側が、前記ガス排出管における前記第２の背圧弁と前記第２のポンプとの間に接続されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の装置。
前記検出ユニットは、フーリエ変換型赤外分光光度計、または非分散型赤外線検出器、または化学発光検出器、または磁気式検出器、または水素炎イオン検出器、または炎光光度計、または量子カスケード赤外差分吸収分光計、または質量分析計、またはキャビティリングダウン分光計、またはマイクロ波吸収式検出器からなっていることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の装置。