JP6730154B2 - 微粒子測定装置および微粒子測定システム - Google Patents
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Description
本発明は、被測定ガスに含まれる煤などの微粒子の量を測定する微粒子測定装置および微粒子測定システムに関する。
被測定ガス(例えば、内燃機関から排出される排気ガスなど)に含まれる微粒子(例えば煤)の量を測定する微粒子測定システムが知られている(例えば、特許文献1参照)。
微粒子測定システムは、被測定ガスに晒されて微粒子を検出する微粒子センサと、コロナケーブルを介して微粒子センサに電気的に接続されて微粒子センサを制御する微粒子測定装置と、を備える。
微粒子測定システムは、被測定ガスに晒されて微粒子を検出する微粒子センサと、コロナケーブルを介して微粒子センサに電気的に接続されて微粒子センサを制御する微粒子測定装置と、を備える。
微粒子センサは、イオン発生部と、帯電室と、捕捉部と、を備えている。微粒子測定装置は、コロナ放電用絶縁トランスと、微粒子演算部と、コロナ放電制御部と、を備えている。コロナケーブルは、イオン発生部とコロナ放電用絶縁トランスとを電気的に接続するコロナ芯線と、コロナ芯線とは電気的に絶縁された状態でコロナ芯線を覆うシールド線と、を備えている。
そして、微粒子測定システムは、コロナ放電によりイオン発生部で発生させたイオンを用いて、帯電室にて被測定ガス中の少なくとも一部の微粒子を帯電させて帯電微粒子を生成し、微粒子センサから外部に排出される帯電微粒子の量に応じて流れる電流に基づいて微粒子の量を測定する。
しかし、微粒子測定システムにおいては、外力の印加や使用者による微粒子センサの取り扱いの状態などの影響により、コロナケーブルおよびイオン発生部などで電気的接続状態に異常(例えば、コロナ芯線とシールド線との短絡異常など)が発生することがあり、そのような異常状態を判定するためには高価な装置が必要となるという問題がある。
つまり、コロナケーブルおよびイオン発生部には高電圧が印加されているため、コロナケーブルおよびイオン発生部から電圧を直接検出する場合には、高電圧に耐えられる高価な検出装置が必要となる。そのような高価な検出装置を用いる場合、微粒子測定装置および微粒子測定システムの製造コストが増加するという問題が生じる。
そこで、本発明は、コロナケーブルまたはイオン発生部における電圧を直接検出することなく、コロナケーブルまたはイオン発生部などでの電気的接続状態の異常状態を判定できる微粒子測定装置および微粒子測定システムを提供することを目的とする。
本発明の1つの局面における微粒子測定装置は、被測定ガス中の微粒子を検出する微粒子センサに電気的に接続されて、微粒子センサを制御して被測定ガス中の微粒子の量を測定する微粒子測定装置であって、コロナ放電用絶縁トランスと、信号線と、微粒子演算部と、コロナ放電制御部と、異常判定部と、を備える。
微粒子センサは、イオン発生部と、帯電室と、捕捉部と、支持金具と、を備える。
イオン発生部は、コロナ放電によってイオンを発生する。帯電室は、被測定ガスを取り込み、イオンを用いて被測定ガス中の微粒子を帯電させて帯電微粒子を生成する。捕捉部は、イオン発生部で発生したイオンのうち微粒子の帯電に使用されなかったイオンを捕捉する。支持金具は、イオン発生部、帯電室、捕捉部のそれぞれと電気的に絶縁された状態で、イオン発生部、帯電室、捕捉部を支持する。
イオン発生部は、コロナ放電によってイオンを発生する。帯電室は、被測定ガスを取り込み、イオンを用いて被測定ガス中の微粒子を帯電させて帯電微粒子を生成する。捕捉部は、イオン発生部で発生したイオンのうち微粒子の帯電に使用されなかったイオンを捕捉する。支持金具は、イオン発生部、帯電室、捕捉部のそれぞれと電気的に絶縁された状態で、イオン発生部、帯電室、捕捉部を支持する。
コロナ放電用絶縁トランスは、一次側コイルおよび二次側コイルを有して電圧変換を行う。信号線は、捕捉部から二次側コイルの基準電位である二次側基準電位に至る信号経路のうち少なくとも一部を形成する。微粒子演算部は、微粒子センサから外部に排出される帯電微粒子の量に応じて信号線に供給される補償電流の電流値に基づいて、被測定ガス中の微粒子の量を演算する。コロナ放電制御部は、二次側コイルに発生するイオン電力を制御するために、信号経路に流れる二次側電流に基づいて一次側コイルへの供給電力量を制御する。なお、イオン電力は、イオン発生部でイオンを発生させるための電力である。
微粒子測定装置は、コロナケーブルを介して微粒子センサに電気的に接続されている。コロナケーブルは、コロナ芯線と、内側シールド線と、外側シールド線と、を備える。
コロナ芯線は、二次側コイルからイオン発生部に対して電力供給するための経路のうち少なくとも一部を形成する。内側シールド線は、コロナ芯線とは電気的に絶縁された状態で、捕捉部および信号線のそれぞれに電気的に接続されている。外側シールド線は、コロナ芯線および内側シールド線とは電気的に絶縁された状態で、一次側コイルの基準電位である一次側基準電位および支持金具にそれぞれ電気的に接続されている。
コロナ芯線は、二次側コイルからイオン発生部に対して電力供給するための経路のうち少なくとも一部を形成する。内側シールド線は、コロナ芯線とは電気的に絶縁された状態で、捕捉部および信号線のそれぞれに電気的に接続されている。外側シールド線は、コロナ芯線および内側シールド線とは電気的に絶縁された状態で、一次側コイルの基準電位である一次側基準電位および支持金具にそれぞれ電気的に接続されている。
異常判定部は、コロナ放電制御部による一次側コイルへの供給電力量の制御状態に基づいて、コロナ芯線が内側シールド線または外側シールド線と電気的に接続された短絡異常状態であるか否かを判定する。
このような微粒子測定装置では、コロナケーブルまたはイオン発生部などでの電気的接続状態の異常(例えば、コロナ芯線と内側シールド線との短絡異常、コロナ芯線と外側シールド線との短絡異常など)が発生すると、二次側コイルからイオン発生部への電力供給が適切に行われない。この場合、イオン発生部は適切にイオンを発生できないため、帯電室での帯電微粒子の生成が適切に実行できず、捕捉部でのイオンの捕捉も適切に行われない。このため、捕捉部から内側シールド線を介して信号線に流れる電流は、電気的接続状態が正常である場合とは異なる異常な挙動を示し、二次側電流についても電気的接続状態が正常である場合とは異なる異常な挙動を示す。
なお、コロナ放電制御部は、二次側電流に基づいて一次側コイルへの供給電力量を制御するため、二次側電流が異常な挙動を示す場合、コロナ放電制御部による一次側コイルへの供給電力量の制御状態は、二次側電流の正常時とは異なる特殊な状態となる。
このため、異常判定部は、コロナ放電制御部による一次側コイルへの供給電力量の制御状態に基づいて、コロナケーブルまたはイオン発生部などでの電気的接続状態の異常(コロナ芯線の短絡異常状態など)を判定できる。このときのコロナ芯線の短絡異常状態としては、例えば、コロナ芯線と内側シールド線との短絡異常状態、コロナ芯線と外側シールド線との短絡異常状態などが挙げられる。
よって、この微粒子測定装置によれば、コロナケーブルまたはイオン発生部における電圧を直接検出することなく、コロナケーブルまたはイオン発生部などでの電気的接続状態の異常を判定できる。
なお、微粒子センサから外部に排出される帯電微粒子の量に応じて信号線に供給される補償電流の電流値は、帯電微粒子の量に応じた値を示すとともに、被測定ガス中の微粒子の量に応じた値を示す。また、補償電流の電流値は、補償電流の電流値を直接的に示す数値に限られることはなく、補償電流の電流値を間接的に示す数値であってもよい。例えば、補償電流の電流値と相関関係を有する電圧値など、補償電流の電流値と相関関係を有する他の状態量を用いて表された数値であってもよい。
上述の微粒子測定装置においては、異常判定部は、コロナ放電制御部による一次側コイルへの供給電力量の制御状態が、一次側コイルに印加される電圧が予め定められた電圧低下異常範囲に含まれる状態となる低下異常制御状態である場合に、短絡異常状態であると判定してもよい。
もし、コロナ芯線が内側シールド線と電気的に接続された短絡異常状態である場合、二次側コイルに発生したイオン電力により生じた電流は、コロナ芯線、内側シールド線、信号線を介して二次側基準電位に流れる。この場合、イオン電力により生じた電流は全て信号線を流れるため、信号線に流れる二次側電流が最大値となる。
また、コロナ芯線が外側シールド線と電気的に接続された短絡異常状態である場合、二次側コイルに発生したイオン電力により生じた電流は、コロナ芯線、外側シールド線を介して一次側基準電位に流れる。この場合、イオン電力により生じた電流は信号線には流れないが、微粒子演算部から信号線に対して補償電流が供給されることで、信号線に流れる二次側電流が最大値となる。
このようにして二次側電流が最大値である場合、コロナ放電制御部は、二次側コイルに発生しているイオン電力が制御目標値に到達したと判断して、一次側コイルへの供給電力量を予め定められた適正電力範囲の最小値以下に制御する電力最小制御を行う。例えば、コロナ放電制御部が一次側コイルに印加される電圧を制御することで、一次側コイルへの供給電力量を制御する構成においては、コロナ放電制御部は、電力最小制御として、一次側コイルに印加される電圧が予め定められた適正電圧範囲の最小値以下となるように、一次側コイルへの供給電力量を制御する。
つまり、コロナ芯線が内側シールド線または外側シールド線と電気的に接続された短絡異常状態である場合、コロナ放電制御部は、一次側コイルに印加される電圧が適正電圧範囲の最小値以下となるように、一次側コイルへの供給電力量を制御する。
「適正電圧範囲の最小値以下となる電圧範囲」を電圧低下異常範囲と定義すると、コロナ芯線が内側シールド線または外側シールド線と電気的に接続された短絡異常状態である場合、コロナ放電制御部は、一次側コイルに印加される電圧が電圧低下異常範囲に含まれる状態となる低下異常制御状態となるように、一次側コイルへの供給電力量を制御する。
このため、コロナ放電制御部による一次側コイルへの供給電力量の制御状態が低下異常制御状態(一次側コイルに印加される電圧が予め定められた電圧低下異常範囲に含まれる状態となる制御状態)であるか否かを判定することで、短絡異常状態であるか否かを判定できる。
上述の微粒子測定装置においては、異常判定部は、コロナ放電制御部による低下異常制御状態が予め定められた短絡異常時間以上継続している場合に、短絡異常状態であると判定してもよい。
つまり、コロナ放電制御部による制御状態が低下異常制御状態となる場合に、直ちに短絡異常状態であると判定するのではなく、低下異常制御状態が短絡異常時間以上継続しているか否かの判定結果に基づき、短絡異常状態であるか否かを判定する。このように判定することで、ノイズなどの影響により一時的にコロナ放電制御部による制御状態が低下異常制御状態となった場合に、短絡異常状態であると誤判定することを抑制できる。
よって、この微粒子測定装置によれば、ノイズなどの影響による誤判定の発生頻度を低減できるため、短絡異常状態の判定における判定精度を向上できる。
上述の微粒子測定装置においては、異常判定部は、コロナ放電制御部による一次側コイルへの供給電力量の制御状態に加えて、補償電流の電流値に基づいて判定することにより、コロナ芯線が外側シールド線と電気的に接続された一次側短絡異常であるか、コロナ芯線が内側シールド線と電気的に接続された二次側短絡異常であるかを判定してもよい。
上述の微粒子測定装置においては、異常判定部は、コロナ放電制御部による一次側コイルへの供給電力量の制御状態に加えて、補償電流の電流値に基づいて判定することにより、コロナ芯線が外側シールド線と電気的に接続された一次側短絡異常であるか、コロナ芯線が内側シールド線と電気的に接続された二次側短絡異常であるかを判定してもよい。
この微粒子測定装置では、上述の通り、コロナケーブルまたはイオン発生部などでの電気的接続状態の異常が発生すると、二次側コイルからイオン発生部への電力供給が適切に行われず、イオン発生部は適切にイオンを発生できないため、帯電室での帯電微粒子の生成が適切に実行できず、捕捉部でのイオンの捕捉も適切に行われない。このため、微粒子センサから外部に排出される帯電微粒子の量に応じて信号線に供給される補償電流の電流値は、電気的接続状態が正常である場合とは異なる異常な挙動を示す。
このため、異常判定部は、コロナ放電制御部による一次側コイルへの供給電力量の制御状態に加えて、補償電流の電流値に基づいて判定することにより、コロナケーブルまたはイオン発生部などでの電気的接続状態の異常(コロナ芯線の短絡異常状態など)を判定できる。
このように、コロナ放電制御部による一次側コイルへの供給電力量の制御状態と補償電流の電流値との複数の判定要素を用いることで、単数の判定要素を用いて判定する場合に比べて、判定精度を向上できる。
上述の微粒子測定装置においては、異常判定部は、コロナ放電制御部による一次側コイルへの供給電力量の制御状態が、一次側コイルに印加される電圧が予め定められた電圧低下異常範囲に含まれる状態となる低下異常制御状態であり、かつ、補償電流の電流値が予め定められた電流増加異常範囲に含まれる状態となる場合には、コロナ芯線が外側シールド線と電気的に接続された一次側短絡異常であると判定し、コロナ放電制御部による一次側コイルへの供給電力量の制御状態が低下異常制御状態であり、かつ、補償電流の電流値が電流増加異常範囲に含まれない状態となる場合には、コロナ芯線が内側シールド線と電気的に接続された二次側短絡異常であると判定してもよい。
もし、コロナ芯線が外側シールド線と電気的に接続された一次側短絡異常状態である場合、二次側コイルに発生したイオン電力により生じた電流は、コロナ芯線、外側シールド線を介して一次側基準電位に流れる。この場合、微粒子センサの外部にイオンが実質的に全て排出された状態と同じになるため、信号線に供給される補償電流は大きな値を示すことになる。つまり、信号線に供給される補償電流の電流値は、補償電流の電流値が採りうる数値範囲のうち最小値に近い領域よりも最大値に近い領域の値を示すこととなる。ここで、補償電流の電流値が採りうる数値範囲のうち所定値以上となる範囲を、電流増加異常範囲と定義する。上記のことから、コロナ放電制御部による一次側コイルへの供給電力量の制御状態が低下異常制御状態であり、かつ、補償電流の電流値が電流増加異常範囲に含まれる状態となる場合には、一次側短絡異常であると判定できる。
また、コロナ芯線が内側シールド線と電気的に接続された二次側短絡異常状態である場合、二次側コイルに発生したイオン電力により生じた電流は、コロナ芯線、内側シールド線、信号線を介して二次側基準電位に流れる。この場合、イオン電力により生じた電流は全て信号線を流れるため、信号線に補償電流は実質的に供給されず、補償電流は小さな値を示すことになる。つまり、信号線に供給される補償電流の電流値は、補償電流の電流値が採りうる数値範囲のうち最大値に近い領域よりも最小値に近い領域の値を示すこととなる。上記のことから、コロナ放電制御部による一次側コイルへの供給電力量の制御状態が低下異常制御状態であり、かつ、補償電流の電流値が電流増加異常範囲に含まれない状態となる場合には、二次側短絡異常であると判定できる。
つまり、コロナ放電制御部による一次側コイルへの供給電力量の制御状態が低下異常制御状態であると判定された場合には、さらに、補償電流の電流値が電流増加異常範囲に含まれる状態であるか否かを判定することで、コロナ芯線の短絡異常状態が一次側短絡異常状態および二次側短絡異常状態のうちいずれであるかを特定できる。
よって、この微粒子測定装置によれば、コロナ放電制御部による一次側コイルへの供給電力量の制御状態に加えて、補償電流の電流値に基づく判定を行うことで、コロナ芯線の短絡異常状態が一次側短絡異常状態および二次側短絡異常状態のうちいずれであるかを特定できる。
なお、二次側短絡異常であるか否かの判定においては、「補償電流の電流値が電流増加異常範囲に含まれる状態であるか否かの判定」に代えて、「補償電流の電流値が電流低下異常範囲に含まれる状態であるか否かの判定」を採用してもよい。なお、補償電流の電流値が採りうる数値範囲のうち所定値以下となる範囲であって、電流増加異常範囲と重複しない範囲を、電流低下異常範囲と定義する。
上述の微粒子測定装置においては、異常判定部は、コロナ放電制御部による一次側コイルへの供給電力量の制御状態が低下異常制御状態であり、かつ、補償電流の電流値が電流増加異常範囲に含まれる状態が予め定められた一次短絡異常時間以上継続している場合には、コロナ芯線が一次側基準電位と電気的に接続された一次側短絡異常であると判定し、コロナ放電制御部による一次側コイルへの供給電力量の制御状態が低下異常制御状態であり、かつ、補償電流の電流値が電流増加異常範囲に含まれない状態が予め定められた二次短絡異常時間以上継続している場合には、コロナ芯線が二次側基準電位と電気的に接続された二次側短絡異常であると判定してもよい。
つまり、コロナ放電制御部による制御状態が低下異常制御状態となり、かつ、補償電流の電流値が電流増加異常範囲に含まれる状態である場合に、直ちに一次側短絡異常状態であると判定するのではなく、そのような状態が一次短絡異常時間以上継続しているか否かの判定結果に基づき、一次側短絡異常状態であるか否かを判定する。
また、コロナ放電制御部による制御状態が低下異常制御状態となり、かつ、補償電流の電流値が電流増加異常範囲に含まれない状態である場合に、直ちに二次側短絡異常状態であると判定するのではなく、そのような状態が二次短絡異常時間以上継続しているか否かの判定結果に基づき、二次側短絡異常状態であるか否かを判定する。
このように判定することで、ノイズなどの影響により一時的に「コロナ放電制御部による制御状態が低下異常制御状態となり、かつ、補償電流の電流値が電流増加異常範囲に含まれる状態あるいは含まれない状態となった」場合に、コロナ芯線が短絡異常状態(一次側短絡異常状態、二次側短絡異常状態)であると誤判定することを抑制できる。
よって、この微粒子測定装置によれば、ノイズなどの影響による誤判定の発生頻度を低減できるため、コロナ芯線の短絡異常状態の判定における判定精度を向上できる。
上述の微粒子測定装置においては、異常判定部にて短絡異常状態と判定された場合に、コロナ芯線が短絡異常状態であることを報知する報知部を備えてもよい。
上述の微粒子測定装置においては、異常判定部にて短絡異常状態と判定された場合に、コロナ芯線が短絡異常状態であることを報知する報知部を備えてもよい。
このような報知部を備えて短絡異常状態であることを報知することで、微粒子測定装置の使用者に対して、コロナケーブルの接続状態の確認作業を喚起したり、コロナケーブルの交換を喚起することができる。
これにより、この微粒子測定装置は、短絡異常状態である状況下で微粒子センサを用いた微粒子測定が継続されることを抑制し、微粒子センサの測定性能の低下を抑制できる。
本発明の他の局面における微粒子測定システムは、被測定ガス中の微粒子を検出する微粒子センサと、微粒子センサにコロナケーブルを介して電気的に接続されて、微粒子センサを制御して被測定ガス中の前記微粒子の量を測定する微粒子測定装置と、を備える微粒子測定システムであって、微粒子測定装置は、上述のうちいずれかの微粒子測定装置である。
本発明の他の局面における微粒子測定システムは、被測定ガス中の微粒子を検出する微粒子センサと、微粒子センサにコロナケーブルを介して電気的に接続されて、微粒子センサを制御して被測定ガス中の前記微粒子の量を測定する微粒子測定装置と、を備える微粒子測定システムであって、微粒子測定装置は、上述のうちいずれかの微粒子測定装置である。
この微粒子測定システムは、上述の微粒子測定装置に対してコロナケーブルを介して微粒子センサを接続した構成をなすものであり、コロナケーブルまたはイオン発生部における電圧を直接検出することなく、コロナケーブルまたはイオン発生部などでの電気的接続状態の異常状態を判定できる。
本発明の微粒子測定装置および微粒子測定システムによれば、コロナケーブルまたはイオン発生部における電圧を直接検出することなく、コロナケーブルまたはイオン発生部などでの電気的接続状態の異常を判定できる。
以下、本発明が適用された実施形態について、図面を用いて説明する。
尚、本発明は、以下の実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の形態を採り得ることはいうまでもない。
尚、本発明は、以下の実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の形態を採り得ることはいうまでもない。
[1.第1実施形態]
[1−1.全体構成]
本実施形態に係る微粒子測定システムの構成について説明する。
[1−1.全体構成]
本実施形態に係る微粒子測定システムの構成について説明する。
図1は、第1実施形態に係る微粒子測定システム10の全体構成を説明するための説明図である。図1(a)は、微粒子測定システム10を搭載した車両500の概略構成を例示した説明図である。図1(b)は、車両500に取り付けられた微粒子測定システム10の概略構成を例示した説明図である。
微粒子測定システム10は、微粒子センサ100と、コロナケーブル201と、補助ケーブル211と、空気供給管224と、微粒子測定装置300と、を含んで構成され、内燃機関400から排出される排ガスに含まれる煤などの微粒子の量を測定する。内燃機関400とは、車両500の動力源であり、ディーゼルエンジン等によって構成されている。
微粒子センサ100は、内燃機関400から延びる排ガス配管402に取り付けられるとともに、コロナケーブル201および補助ケーブル211を介して微粒子測定装置300と電気的に接続されている。本実施形態では、微粒子センサ100は、排ガス配管402のうちフィルタ装置410(例えば、DPF(Diesel particulate filter ))よりも下流側部分に取り付けられている。微粒子センサ100は、排ガスに含まれる微粒子の量に相関する信号を微粒子測定装置300に出力する。
微粒子測定装置300は、微粒子センサ100を駆動させるとともに、微粒子センサ100から入力される信号に基づいて、排ガス中の微粒子の量を検出(測定)する。微粒子測定装置300が検出する「排ガス中の微粒子の量」とは、排ガス中の微粒子の表面積の合計に比例する値であってもよいし、微粒子の質量の合計に比例する値であってもよい。または、排ガスの単位体積中に含まれる微粒子の個数に比例する値であってもよい。微粒子測定装置300で検出した排ガス中の微粒子量は、内燃機関400の運転状態(燃焼状態など)の分析作業やフィルタ装置410の状態判定(劣化判定、異常判定など)などに用いることができる。
車両制御部420は、車両500の各部から入力される信号に応じて、内燃機関400の燃焼状態や、燃料配管405を介して燃料供給部430から内燃機関400に供給される燃料の供給量などを制御する。微粒子測定装置300と車両制御部420は、それぞれ電源部440に電気的に接続されており、電源部440から電力が供給される。
図1(b)に示すように、微粒子センサ100は、円筒形状の先端部100eを備えており、この先端部100eが排ガス配管402の内側に挿入された状態で、排ガス配管402の外表面に固定されている。ここでは、微粒子センサ100の先端部100eは、排ガス配管402の延伸方向DLに対してほぼ垂直に挿入されている。先端部100eのケーシングCSの表面には、排ガスをケーシングCSの内部に取り込むための流入孔45と、取り込んだ排ガスをケーシングCSの外部に排出するための排出孔35と、が設けられている。排ガス配管402の内部を流通する排ガスの一部は、流入孔45を介して先端部100eのケーシングCSの内部に取り込まれる。取り込まれた排ガス中に含まれる微粒子は、微粒子センサ100が生成するイオン(ここでは、陽イオン)によって帯電する。帯電した微粒子を含む排ガスは、排出孔35を介してケーシングCSの外部に排出される。ケーシングCSの内部の構成や、微粒子センサ100の具体的な構成については後述する。
なお、本実施形態では、微粒子センサ100の長手方向における端部のうち、流入孔45が備えられる端部を先端側とし、その反対側を基端側(または後端側)とする。
微粒子センサ100の後端部100rには、コロナケーブル201、補助ケーブル211、空気供給管224が取り付けられている。コロナケーブル201、補助ケーブル211、空気供給管224は、それぞれ可撓性の部材によって構成されている。コロナケーブル201および補助ケーブル211は、微粒子測定装置300の電気回路部700に電気的に接続され、空気供給管224は、微粒子測定装置300の空気供給部800に接続されている。
微粒子センサ100の後端部100rには、コロナケーブル201、補助ケーブル211、空気供給管224が取り付けられている。コロナケーブル201、補助ケーブル211、空気供給管224は、それぞれ可撓性の部材によって構成されている。コロナケーブル201および補助ケーブル211は、微粒子測定装置300の電気回路部700に電気的に接続され、空気供給管224は、微粒子測定装置300の空気供給部800に接続されている。
微粒子測定装置300は、制御部600と、電気回路部700と、空気供給部800と、筐体910と、報知部920と、操作入力部930と、を備えている。
筐体910は、箱状に形成されており、制御部600と、電気回路部700と、空気供給部800と、報知部920と、操作入力部930を収容する。なお、この筐体910は、使用者が持ち運び可能に構成されており、使用者が微粒子センサ100を取り付けたい車両に持ち運び、当該車両に載置して使用できるよう構成されている。
筐体910は、箱状に形成されており、制御部600と、電気回路部700と、空気供給部800と、報知部920と、操作入力部930を収容する。なお、この筐体910は、使用者が持ち運び可能に構成されており、使用者が微粒子センサ100を取り付けたい車両に持ち運び、当該車両に載置して使用できるよう構成されている。
報知部920は、筐体910に設置された表示装置を備え、制御部600からの指令に基づいて表示装置の表示画面に各種情報(画像、文字列、数式など)を表示する。
操作入力部930は、筐体910に設置されたスイッチ、タッチパネル、音声入力装置などを備えており、使用者がこれらを介して行った入力操作を特定するための入力操作情報を制御部600に対して出力する。
操作入力部930は、筐体910に設置されたスイッチ、タッチパネル、音声入力装置などを備えており、使用者がこれらを介して行った入力操作を特定するための入力操作情報を制御部600に対して出力する。
制御部600は、マイクロコンピュータ(以下、マイコンという)を含んで構成されており、操作入力部930、電気回路部700および操作入力部930からの入力情報に基づいて各種処理を実行し、電気回路部700、空気供給部800および報知部920を制御する。また、制御部600は、電気回路部700から入力される信号に基づいて、排ガス中の微粒子の量を検出(測定)する。
電気回路部700は、コロナケーブル201および補助ケーブル211を介して、微粒子センサ100を駆動するための電力を供給する。また、電気回路部700は、コロナケーブル201および補助ケーブル211のうち少なくとも一方を介して微粒子センサ100から排ガスに含まれる微粒子の量に相関する信号が入力される。電気回路部700は、微粒子センサ100から入力される信号を用いて、排ガス中の微粒子量に応じた信号を制御部600に出力する。これらの信号の具体的な内容については後述する。
空気供給部800は、ポンプ(図示しない)を含んで構成されており、制御部600からの指示に基づいて、空気供給管224を介して、高圧空気を微粒子センサ100に供給する。空気供給部800から供給される高圧空気は、微粒子センサ100の駆動に用いられる。なお、空気供給部800が供給するガスの種類は空気以外であってもよい。
[1−2.微粒子センサ]
図2は、微粒子センサ100の先端部100eの概略構成を模式的に示した説明図である。
図2は、微粒子センサ100の先端部100eの概略構成を模式的に示した説明図である。
微粒子センサ100の先端部100eは、イオン発生部110と、排ガス帯電部120と、イオン捕捉部130と、を備えている。ケーシングCSは、イオン発生部110、排ガス帯電部120、および、イオン捕捉部130の3つの機構部が、この順に先端部100eの基端側(図2の上方)から先端側(図2の下方)に向かって(微粒子センサ100の軸線方向に沿って)並んだ構成を有している。ケーシングCSは、導電性材料(例えば、ステンレスなど)によって形成され、コロナケーブル201(詳細には、後述するコロナ内側導体204)および補助ケーブル211(詳細には、後述する補助内側導体214)のうち少なくとも一方を介して二次側グランドSGL(図3における二次側の回路の基準電位を示すグランド(接地配線))に接続されている。
イオン発生部110は、排ガス帯電部120に供給するイオン(ここでは陽イオン)を発生するための機構部であり、イオン発生室111と、第1電極112と、を含んで構成されている。イオン発生室111は、ケーシングCSの内側に形成された小空間であり、内周面には空気供給孔55とノズル41とが設けられ、内部には第1電極112が突出した状態で取り付けられている。空気供給孔55は、空気供給管224(図1)と連通しており、空気供給部800(図1)から供給される高圧空気をイオン発生室111に供給する。ノズル41は、イオン発生部110と排ガス帯電部120との間を区画する隔壁42の中心部付近に設けられた微小孔(オリフィス)であり、イオン発生室111で発生したイオンを排ガス帯電部120の帯電室121に供給する。第1電極112は、棒状の外形を備え、先端部が隔壁42と近接するようにして基端部がセラミックパイプ25を介してケーシングCSに固定されている。第1電極112は、コロナケーブル201(詳細には、後述するコロナ芯線202)を介して電気回路部700(図1)に接続されている。
イオン発生部110は、電気回路部700から供給される電力により、第1電極112を陽極とし、隔壁42を陰極として、電圧(例えば、2〜3kV)が印加されるよう構成されている。イオン発生部110は、この電圧の印加によって、第1電極112の先端部と、隔壁42との間にコロナ放電を生じさせることによって、陽イオンPIを発生する。イオン発生部110において発生した陽イオンPIは、空気供給部800(図1)から供給される高圧空気とともに、ノズル41を介して排ガス帯電部120の帯電室121に噴射される。ノズル41から噴射される空気の噴射速度は音速程度としてもよい。
排ガス帯電部120は、排ガスに含まれる微粒子を陽イオンPIによって帯電させるための部位であり、帯電室121を備えている。帯電室121は、イオン発生室111と隣接する小空間であり、ノズル41を介してイオン発生室111と連通している。また、帯電室121は、流入孔45を介して、ケーシングCSの外部と連通し、ガス流路31を介してイオン捕捉部130の捕捉室131と連通している。帯電室121は、ノズル41から陽イオンPIを含む空気が噴射されたときに内部が負圧になり、流入孔45を介してケーシングCSの外部の排ガスが流入するように構成されている。そのため、ノズル41から噴射された陽イオンPIを含む空気と、流入孔45から流入した排ガスとは、帯電室121の内部において混合される。このとき、流入孔45から流入した排ガスに含まれる煤S(微粒子)の少なくとも一部に、ノズル41から供給される陽イオンPIが帯電することで、帯電微粒子が生成される。帯電した煤S(帯電微粒子)と帯電に供されなかった陽イオンPIとを含む空気は、ガス流路31を介してイオン捕捉部130の捕捉室131に供給される。
イオン捕捉部130は、煤S(微粒子)の帯電に使用されなかったイオンを捕捉するための部位であり、捕捉室131と、第2電極132と、を含んで構成されている。捕捉室131は、帯電室121と隣接する小空間であり、ガス流路31を介して帯電室121と連通している。また、捕捉室131は、排出孔35を介して、ケーシングCSの外部と連通している。第2電極132は、略棒状の外形を備え、長手方向がガス流路31を流通する空気の流通方向(ケーシングCSの延伸方向)に沿うようにしてケーシングCSに固定されている。第2電極132は、補助ケーブル211(詳細には、後述する補助芯線212)を介して電気回路部700(図1)に接続されている。第2電極132は、ケーシングCSとは電気的に絶縁されている。
第2電極132は、100V程度の電圧が印加されており、煤Sの帯電に供されなかった陽イオンの捕捉を補助する補助電極として機能する。具体的には、イオン捕捉部130は、電気回路部700から供給される電力によって、第2電極132を陽極とし、帯電室121及び捕捉室131を構成するケーシングCSを陰極とした電圧が印加されている。これにより、煤Sの帯電に用いられなかった陽イオンPIは、第2電極132から斥力を受けて、その移動方向が第2電極132から離れる方向へと反らされる。移動方向が反らされた陽イオンPIは、陰極として機能する捕捉室131やガス流路31の内周壁に捕捉される。一方、陽イオンPIが帯電された煤S(帯電微粒子)は、陽イオンPIの単体と同様に第2電極132から斥力を受けるが、質量が陽イオンPIと比較して大きいため、斥力によってその進行方向に与えられる影響が、単体の陽イオンPIに比較して小さい。そのため、帯電した煤S(帯電微粒子)は、排ガスの流れに従って、排出孔35からケーシングCSの外部へと排出される。
なお、微粒子センサ100から出力される信号から排ガス中に含まれる煤Sの量を算出する方法については後述する。
図3は、微粒子センサ100と電気回路部700との電気的な概略構成を示した説明図である。
図3は、微粒子センサ100と電気回路部700との電気的な概略構成を示した説明図である。
微粒子センサ100は、ケーシングCSと電気的に絶縁された状態でケーシングCSを支持する導電性材料(例えば、ステンレスなど)で形成された支持金具140を備える。
支持金具140は、排ガス配管402(図1(b)参照)に固定するための固定部(例えば、ネジ溝など)を備えて構成されている。支持金具140は、排ガス配管402に固定されることで、排ガス配管402と電気的に接続されるとともに一次側グランドPGL(一次側の回路の基準電位を示すグランド(接地配線))に接続される。
支持金具140は、排ガス配管402(図1(b)参照)に固定するための固定部(例えば、ネジ溝など)を備えて構成されている。支持金具140は、排ガス配管402に固定されることで、排ガス配管402と電気的に接続されるとともに一次側グランドPGL(一次側の回路の基準電位を示すグランド(接地配線))に接続される。
コロナケーブル201は、いわゆるトライアキシャルケーブルを用いて構成されており、コロナ芯線202と、コロナ外側導体203と、コロナ内側導体204と、コロナケーブルコネクタ205と、を備える。
コロナ芯線202は、導電性材料(例えば、銅など)で構成された中心導体として備えられる。コロナ芯線202は、微粒子センサ100の第1電極112と電気的に接続される。コロナ内側導体204は、コロナ芯線202と電気的に絶縁された状態でその径方向外側に位置する筒状の編組であり、導電性材量(例えば、銅など)の細線を編んだ編組で構成されている。コロナ内側導体204は、微粒子センサ100のケーシングCSと電気的に接続される。コロナ外側導体203は、コロナ内側導体204と電気的に絶縁された状態でその径方向外側に位置する筒状の編組であり、導電性材量(例えば、銅など)の細線を編んだ編組で構成されている。コロナ外側導体203は、微粒子センサ100の支持金具140と電気的に接続される。コロナケーブルコネクタ205は、コロナ芯線202、コロナ外側導体203、コロナ内側導体204のそれぞれの端部に備えられる。
補助ケーブル211は、いわゆるトライアキシャルケーブルを用いて構成されており、補助芯線212と、補助外側導体213と、補助内側導体214と、補助ケーブルコネクタ215と、を備える。
補助芯線212は、導電性材料(例えば、銅など)で構成された中心導体として備えられる。補助芯線212は、微粒子センサ100の第2電極132と電気的に接続される。補助内側導体214は、補助芯線212と電気的に絶縁された状態でその径方向外側に位置する筒状の編組であり、導電性材量(例えば、銅など)の細線を編んだ編組で構成されている。補助内側導体214は、微粒子センサ100のケーシングCSと電気的に接続される。補助外側導体213は、補助内側導体214と電気的に絶縁された状態でその径方向外側に位置する筒状の編組であり、導電性材量(例えば、銅など)の細線を編んだ編組で構成されている。補助外側導体213は、微粒子センサ100の支持金具140と電気的に接続される。補助ケーブルコネクタ215は、補助芯線212、補助外側導体213、補助内側導体214のそれぞれの端部に備えられる。
[1−3.電気回路部]
図3に示すように、電気回路部700は、電源回路710と、絶縁トランス720と、コロナ電流測定回路730と、イオン電流測定回路740と、第1整流回路751と、第2整流回路752と、を備えている。
図3に示すように、電気回路部700は、電源回路710と、絶縁トランス720と、コロナ電流測定回路730と、イオン電流測定回路740と、第1整流回路751と、第2整流回路752と、を備えている。
また、電気回路部700は、コロナ電流経路231と、第1基準経路232と、第1イオン電流経路233と、コロナコネクタ234と、補助電流経路235と、第2基準経路236と、第2イオン電流経路237と、補助コネクタ238と、を備える。
コロナ電流経路231は、コロナコネクタ234から第1整流回路751にかけて配置される電流経路である。コロナ電流経路231には、ショート保護用抵抗753が備えられる。第1基準経路232は、コロナコネクタ234から一次側グランドPGLにかけて配置される電流経路である。第1イオン電流経路233は、コロナコネクタ234から二次側グランドSGLにかけて配置される電流経路である。コロナコネクタ234は、コロナケーブルコネクタ205と接続可能に構成されている。
コロナケーブルコネクタ205とコロナコネクタ234とが互いに接続されると、コロナ芯線202がコロナ電流経路231と電気的に接続され、コロナ外側導体203が第1基準経路232と電気的に接続され、コロナ内側導体204が第1イオン電流経路233と電気的に接続される。
補助電流経路235は、補助コネクタ238から第2整流回路752にかけて配置される電流経路であり、補助電極電流Iirが流れる。補助電流経路235には、ショート保護用抵抗754が備えられる。第2基準経路236は、補助コネクタ238から第1基準経路232の接続点232aにかけて配置される電流経路であり、第1基準経路232を介して一次側グランドPGLに電気的に接続される。第2イオン電流経路237は、補助コネクタ238から第1イオン電流経路233の接続点233aにかけて配置される電流経路であり、第1イオン電流経路233を介して二次側グランドSGLに電気的に接続される。補助コネクタ238は、補助ケーブルコネクタ215と接続可能に構成されている。
補助ケーブルコネクタ215と補助コネクタ238とが互いに接続されると、補助芯線212が補助電流経路235と電気的に接続され、補助外側導体213が第2基準経路236と電気的に接続され、補助内側導体214が第2イオン電流経路237と電気的に接続される。
電源回路710は、第1電源回路710aと、第2電源回路710bと、を備える。絶縁トランス720は、第1絶縁トランス720aと、第2絶縁トランス720bと、を備える。
第1電源回路710aは、電源部440から供給される電力を第1絶縁トランス720aに供給するとともに、第1絶縁トランス720aを駆動させる。第1電源回路710aは、第1放電電圧制御回路711aと、第1トランス駆動回路712aと、を備えている。第1放電電圧制御回路711aは、制御部600による制御によって、第1絶縁トランス720aに供給される電力の電圧値を任意に変更可能に構成されている。ここでは、制御部600は、コロナケーブル201(詳細には、コロナ芯線202)を介して微粒子センサ100の第1電極112に供給される入力電流Iinの電流値が予め設定された目標電流値Ita(例えば、5μA)となるように第1絶縁トランス720aに供給される電力の電圧値を制御する。制御部600によるこの制御の方法については後述する。これにより、イオン発生部110において、コロナ放電によって発生する陽イオンPIの発生量を一定にすることができる。
第1トランス駆動回路712aは、第1絶縁トランス720aの一次側コイルに流れる電流の方向を切り換え可能なスイッチを含んで構成されており、このスイッチの切り換えによって第1絶縁トランス720aを駆動させる。本実施形態では、第1絶縁トランス720aの回路方式は、プッシュプルとして構成されているが、第1絶縁トランス720aの回路方式は、これに限定されず、例えば、ハーフブリッジやフルブリッジなどであってもよい。
第1絶縁トランス720aは、第1電源回路710aから供給される電力に対して電圧変換をおこない、電圧変換後の電力を二次側の第1整流回路751に供給する。本実施形態の第1絶縁トランス720aは、一次側コイルと二次側コイルとが物理的に接触しておらず、磁気によって結合するように構成されている。第1絶縁トランス720aの一次側の回路としては、第1電源回路710aのほか、制御部600や電源部440が含まれる。第1絶縁トランス720aの二次側の回路としては、微粒子センサ100や第1整流回路751が含まれる。
第2電源回路710bは、電源部440から供給される電力を第2絶縁トランス720bに供給するとともに、第2絶縁トランス720bを駆動させる。第2電源回路710bは、第2放電電圧制御回路711bと、第2トランス駆動回路712bと、を備えている。第2放電電圧制御回路711bは、制御部600による制御によって、第2絶縁トランス720bに供給される電力の電圧値を任意に変更可能に構成されている。ここでは、制御部600は、補助ケーブル211(詳細には、補助芯線212)を介して微粒子センサ100の第2電極132に印加される電圧が予め定められた目標電圧値(例えば、100V)となるように、第2絶縁トランス720bに供給される電力の電圧値を制御する。
第2トランス駆動回路712bは、第2絶縁トランス720bの一次側コイルに流れる電流の方向を切り換え可能なスイッチを含んで構成されており、このスイッチの切り換えによって第2絶縁トランス720bを駆動させる。本実施形態では、第2絶縁トランス720bの回路方式は、プッシュプルとして構成されているが、第2絶縁トランス720bの回路方式は、これに限定されず、例えば、ハーフブリッジやフルブリッジなどであってもよい。
第2絶縁トランス720bは、第2電源回路710bから供給される電力に対して電圧変換をおこない、電圧変換後の電力を二次側の第2整流回路752に供給する。本実施形態の第2絶縁トランス720bは、一次側コイルと二次側コイルとが物理的に接触しておらず、磁気によって結合するように構成されている。第2絶縁トランス720bの一次側の回路としては、第2電源回路710bのほか、制御部600や電源部440が含まれる。第2絶縁トランス720bの二次側の回路としては、微粒子センサ100や第2整流回路752が含まれる。
コロナ電流測定回路730、イオン電流測定回路740は、絶縁トランス720(第1絶縁トランス720a,第2絶縁トランス720b)の一次側の回路と二次側の回路との間に跨がる回路であり、両方の回路にそれぞれ電気的に接続されている。コロナ電流測定回路730は、後述するように、絶縁トランス720(第1絶縁トランス720a,第2絶縁トランス720b)の一次側の回路に電気的に接続される回路部分と、二次側の回路に電気的に接続されている回路部分との間が物理的に絶縁されている。なお、上述のように、一次側の回路の基準電位を示すグランド(接地配線)を「一次側グランドPGL」とも呼び、二次側の回路の基準電位を示すグランドを「二次側グランドSGL」とも呼ぶ。
絶縁トランス720(第1絶縁トランス720a,第2絶縁トランス720b)は、一次側コイルの端部が一次側グランドPGLに接続され、二次側コイルの端部が二次側グランドSGLに接続されている。コロナケーブル201のコロナ内側導体204および補助ケーブル211の補助内側導体214は、それぞれ、一方の端部がケーシングCSに接続され、他方の端部が第1イオン電流経路233および第2イオン電流経路237を介して二次側グランドSGLに接続されている。
第1整流回路751は、ショート保護用抵抗753を介して第1電極112に接続されており、変換した電力をコロナケーブル201のコロナ芯線202を介して第1電極112に供給する。すなわち、第1整流回路751から供給される電圧は、ほぼ第1電極112における放電電圧となり、第1整流回路751から供給される電流は、第1電極112に入力される入力電流Iinとなる。第2整流回路752は、ショート保護用抵抗754を介して第2電極132に接続されており、変換した電圧を補助ケーブル211の補助芯線212を介して第2電極132に印加する。
イオン電流測定回路740は、イオン捕捉部130において捕捉されずに流出した陽イオンPIに相当する電流(Iesc)の電流値を検出するとともに、流出した陽イオンPIに相当する電流(補償電流Ic)を二次側の回路に供給する。つまり、イオン電流測定回路740は、微粒子センサ100(ケーシングCS)から外部に排出された帯電した煤S(帯電微粒子)の量に応じた電流を補償電流Icとして二次側の回路に供給する。このイオン電流測定回路740は、配線771を介して二次側の第1イオン電流経路233(詳細には、接続点233aとシャント抵抗230との間)に接続されるとともに、配線772および配線773を介して一次側の制御部600に接続される。また、イオン電流測定回路740は、配線775を介して一次側グランドPGLに接続されている。イオン電流測定回路740は、配線772を介して、イオン捕捉部130において捕捉されずに流出した陽イオンPIの量に相当する電流値を示す信号SWescを制御部600に出力する。また、イオン電流測定回路740は、配線773を介して、信号SWescを増幅させた高感度信号としての信号SSescを制御部600に出力する。
コロナ電流測定回路730は、配線761、762を介して第1イオン電流経路233に接続され、配線763を介して制御部600に接続されている。配線761と配線762は、第1イオン電流経路233に設けられたシャント抵抗230を間に挟んでそれぞれ第1イオン電流経路233に接続されている。コロナ電流測定回路730は、第1イオン電流経路233をケーシングCSから二次側グランドSGLに向けて流れる二次側電流(Idc+Itrp+Ic)の電流値を示す信号Sdc+trp+cを制御部600に出力する。ここで「電流値を示す信号」とは、電流値を直接的に示す信号に限定されず、電流値を間接的に示す信号も該当する。例えば、信号から得られる情報に演算式やマップを適用することによって電流値を特定できる信号も「電流値を示す信号」に含まれる。なお、イオン電流測定回路740から供給(補充)される補償電流Icは、微粒子センサ100(ケーシングCS)から排出された陽イオンPI(帯電微粒子)に相当する電流に相当するため、この補償電流Icを加えた形でケーシングCSから二次側グランドSGLに流れる二次側電流の電流値、即ちシャント抵抗230に流れる二次側電流(Idc+Itrp+Ic)の電流値は、入力電流Iinの電流値と等しくなる。
制御部600は、コロナ電流測定回路730から入力される信号Sdc+trp+cを用いて、入力電流Iinの電流値が目標電流値Itaとなるように、第1放電電圧制御回路711aを制御する。すなわち、コロナ電流測定回路730と制御部600は、コロナ電流(=入力電流Iin)の電流値を一定にするための定電流回路を構成する。コロナ電流の電流値は、イオン発生部110における陽イオンPIの発生量と相関するため、この定電流回路によってイオン発生部110における陽イオンPIの発生量が一定に保たれる。
イオン捕捉部130で捕捉されずに流出した陽イオンPIに相当する電流の電流値を、イオン電流測定回路740で検出する方法について説明する。
ここでは、コロナケーブル201のコロナ芯線202から第1電極112に供給される電流を「入力電流Iin」と呼ぶほか、コロナ放電により、第1電極112から隔壁42を介してケーシングCSに流れる電流を「放電電流Idc」と呼び、コロナ放電により発生した陽イオンPIのうち、煤Sの帯電に用いられ、ケーシングCSの外部へと漏洩する陽イオンPIの電荷に相当する電流を「信号電流Iesc」と呼び、ケーシングCSに捕捉された陽イオンPIの電荷に相当する電流を「捕捉電流Itrp」と呼ぶ。これらの4つの電流は、下記の[数1]に示す式(1)の関係が成り立つ。
ここでは、コロナケーブル201のコロナ芯線202から第1電極112に供給される電流を「入力電流Iin」と呼ぶほか、コロナ放電により、第1電極112から隔壁42を介してケーシングCSに流れる電流を「放電電流Idc」と呼び、コロナ放電により発生した陽イオンPIのうち、煤Sの帯電に用いられ、ケーシングCSの外部へと漏洩する陽イオンPIの電荷に相当する電流を「信号電流Iesc」と呼び、ケーシングCSに捕捉された陽イオンPIの電荷に相当する電流を「捕捉電流Itrp」と呼ぶ。これらの4つの電流は、下記の[数1]に示す式(1)の関係が成り立つ。
ここで、信号電流Iescは、イオン電流測定回路740が出力する電流(流出した陽イオンPIに相当する電流(補償電流Ic))に相当する電流値を示す信号である。そこで、イオン電流測定回路740が、この補償電流Icを検出することで、イオン捕捉部130において捕捉されずに流出した陽イオンPIに相当する電流(Iesc)の電流値を検出することができる。
なお、補償電流Icは、一次側グランドPGLと二次側グランドSGLとの差分値を示す信号でもある。また、補償電流Icは、信号電流Iescと同等の電流値を示す電流であり、[数1]を踏まえると、イオン発生部110で発生するイオンの量に相当する電流(=Iin−Idc)からイオン捕捉部130で捕捉されたイオンの量に相当する電流(=Itrp)を差し引いた差分値(=Iin−Idc−Itrp)に相当する電流値となる。つまり、補償電流Icは、イオン電力によりイオン発生部110で発生するイオンの量からイオン捕捉部130で捕捉されたイオンの量を差し引いた差分値と相関関係を有する状態量である。
[1−4.イオン電流測定回路]
図4は、イオン電流測定回路740の概略構成を例示した説明図である。
イオン電流測定回路740は、第1オペアンプAMP1と、第2オペアンプAMP2と、第3オペアンプAMP3と、抵抗値が既知の抵抗RE1〜RE5と、を含んで構成されている。
図4は、イオン電流測定回路740の概略構成を例示した説明図である。
イオン電流測定回路740は、第1オペアンプAMP1と、第2オペアンプAMP2と、第3オペアンプAMP3と、抵抗値が既知の抵抗RE1〜RE5と、を含んで構成されている。
第1オペアンプAMP1の一方の入力端子は、配線771および第1イオン電流経路233(シャント抵抗230を含む)を介して二次側グランドSGLに接続されており、他方の入力端子は、配線775を介して一次側グランドPGLに接続されている。第1オペアンプAMP1の出力端子は、配線772を介して制御部600に接続されている。なお、第1オペアンプAMP1の他方の入力端子には、一次側グランドPGLに対して一定の基準電圧(例えば、0.5V)を与える電源Vrefが接続されている。第1オペアンプAMP1に基準電圧を入力することで、第1オペアンプAMP1の2つの入力端子間の電位差を、誤差(バイアス電流やオフセット電圧等による誤差)の生じにくい電位差範囲に近づけることができる。また、第1オペアンプAMP1の出力端子は、配線772の一部と配線LI1を介して第2オペアンプAMP2の一方の入力端子に接続され、配線772の一部と配線LI2を介して配線771に接続されている。配線LI1には、抵抗RE1が設けられ、配線LI2には、抵抗RE2が設けられている。
第2オペアンプAMP2の一方の入力端子は、配線LI1の一部と配線772を介して第1オペアンプAMP1に接続され、他方の入力端子は、配線LI3と配線775を介して一次側グランドPGLに接続されている。配線LI3には、抵抗RE3と第3オペアンプAMP3とが設けられており、抵抗RE3と第3オペアンプAMP3との間には、配線LI4が接続されている。配線LI3は、抵抗RE4が設けられた配線LI4を介して配線LI1に接続されている。第3オペアンプAMP3は、出力側の電流変化による電圧変化を抑えるためのボルテージフォロアとして構成されている。第2オペアンプAMP2の出力端子は、配線773を介して制御部600に接続されるとともに、配線773と配線LI5を介して配線LI3に接続されている。配線LI5には、抵抗RE5が設けられている。
信号電流Iescの発生により、二次側グランドSGLの基準電位と一次側グランドPGLの基準電位との間に差異が生じると第1オペアンプAMP1は、この差異に応じた電圧を出力する。第1オペアンプAMP1が出力する電圧は、信号電流Iescの電流値に相関するため、この電圧値は、信号電流Iescの電流値を示す信号SWescとして、配線772を介して制御部600に出力される。
また、第1オペアンプAMP1が出力する電圧は、配線LI2から抵抗RE2を介することによって、補償電流Icとして配線771に供給される。この補償電流Icは、上述したように信号電流Iescと電流値が等しく、二次側の回路を構成する配線771に供給されることで、二次側グランドSGLの基準電位と一次側グランドPGLの基準電位との間の差異を補償する。
第2オペアンプAMP2は、第1オペアンプAMP1から入力される信号SWescを増幅させた信号SSescを制御部600に出力する。第2オペアンプAMP2は、差動増幅回路として構成されており、一方の入力端子から入力される信号SWescとしての電圧と、他方の入力端子から入力される一次側グランドPGLの基準電位との差分に応じた電圧を出力する。すなわち、第2オペアンプAMP2は、入力された信号SWescの電圧値に対して所定の増幅率(例えば、103倍)で増幅させた電圧を信号SSescとして制御部600に出力する。
制御部600は、イオン電流測定回路740から入力される低感度信号としての信号SWescと、高感度信号としての信号SSescと、を用いて排ガス中に含まれる煤Sの量を検出する。信号電流Iescの電流値を示すこれらの信号を用いて排ガス中に含まれる煤Sの量を検出する方法については、特に限定されない。例えば、制御部600は、信号の電圧値と排ガス中の煤Sの量との対応関係が示されているマップや、信号の電圧値と排ガス中の煤Sの量との関係式を記憶していれば、これらを用いることによって、排ガス中に含まれる煤Sの量を算出することができる。
本実施形態の制御部600は、信号SWescおよび信号SSescとして入力されるアナログ信号としての電圧値を所定の分解能(例えば、8ビット)によってデジタル値として取得する。また、制御部600は、入力される信号SSescと信号SWescのいずれにおいても電圧値の読み取り可能な範囲(フルスケールの範囲)が同じ大きさとなるように構成されている。
高感度信号としての信号SSescは、低感度信号としての信号SWescに比べて、信号電流Iescの電流値に対する感度(分解能)が高い。例えば、信号SWescの1Vが信号電流Iescの1nAに相当するのに対して、信号SSescの1Vは信号電流Iescの1pAに相当する。一方、制御部600における信号SSesc,SWescの電圧の分解能(最小識別可能電位差)は等しい(例えば、0.02V)。従って、制御部600の電圧分解能に相当する信号電流Iescの電流値は、信号SSescでは小さく(例えば、0.02pA)、信号SWescでは大きい(例えば、0.02nA)。換言すれば、制御部600は、信号SSescから、信号SWescに比べて、信号電流Iescのより小さな変動を検出することが可能である。
よって、信号SSescを用いて取得できる排ガス中の煤Sの量は、信号SWescを用いて取得できる排ガス中の煤Sの量よりも最小識別可能単位が小さく精度が高い。一方、制御部600の読み取り可能な電圧範囲(例えば、0〜5V)は、信号SWescの電圧範囲の全体が含まれるように設定されている。そのため、信号SWescを用いて測定可能な排ガス中の煤Sの量の範囲は、信号SSescを用いて測定可能な排ガス中の煤Sの量の範囲よりも広く、排ガス中の煤Sの量が、信号SWescの全電圧範囲に相当する範囲内であれば、その全範囲において煤Sの量を測定することができる。
このことから、制御部600は、信号SSescの電圧値が読み取り可能範囲にある場合には、信号SSescを用いて排ガス中の煤Sの量を精度良く測定し、信号SSescの電圧値が読み取り可能範囲にない場合には、広い範囲で測定可能な信号SWescを用いて排ガス中の煤Sの量を測定することができる。
[1−5.コロナ電流測定回路]
図5は、コロナ電流測定回路730の概略構成を例示した説明図である。
コロナ電流測定回路730は、入力側と出力側との間が絶縁されたいわゆる光結合式のアイソレーションアンプとして構成されている。コロナ電流測定回路730の入力側は電気回路部700(図3)の二次側に属し、出力側は電気回路部700の一次側に属している。コロナ電流測定回路730は、二次側オペアンプ731と、A/Dコンバータ732と、発光部733と、受光部734と、一次側オペアンプ735と、D/Aコンバータ736と、を備えている。
図5は、コロナ電流測定回路730の概略構成を例示した説明図である。
コロナ電流測定回路730は、入力側と出力側との間が絶縁されたいわゆる光結合式のアイソレーションアンプとして構成されている。コロナ電流測定回路730の入力側は電気回路部700(図3)の二次側に属し、出力側は電気回路部700の一次側に属している。コロナ電流測定回路730は、二次側オペアンプ731と、A/Dコンバータ732と、発光部733と、受光部734と、一次側オペアンプ735と、D/Aコンバータ736と、を備えている。
二次側オペアンプ731の2つの入力端子は、配線761と配線762にそれぞれ接続されており、出力端子は、A/Dコンバータ732に接続されている。二次側オペアンプ731は、配線761と配線762との電位差を増幅してA/Dコンバータ732に出力する。配線761と配線762との電位差は、抵抗値が既知のシャント抵抗230(図3)の両側の電位差であり、第1イオン電流経路233(図3)を流れる電流(二次側電流(Idc+Itrp+Ic))の電流値と相関する。すなわち、二次側オペアンプ731は、第1イオン電流経路233(図3)を流れる電流の電流値を示すアナログの電圧信号を増幅させてA/Dコンバータ732に出力する。
A/Dコンバータ732は、二次側オペアンプ731と発光部733に接続されており、二次側オペアンプ731から出力されたアナログ信号をデジタル信号に変換して発光部733に出力する。
発光部733は、LEDを含んで構成されており、A/Dコンバータ732と二次側グランドSGLに接続されている。発光部733は、A/Dコンバータ732から出力されたデジタルの電圧信号を光信号に変換する。
受光部734は、フォトダイオードを含んで構成されており、一次側オペアンプ735と一次側グランドPGLに接続されている。受光部734は、発光部733から出力される光信号を電流信号に変換して一次側オペアンプ735に出力する。このように、発光部733と受光部734との間は、電気的、物理的に絶縁されており、光によって信号の伝達がおこなわれる。
一次側オペアンプ735は、受光部734とD/Aコンバータ736に接続されており、電流−電圧変換回路を含んで構成されている。一次側オペアンプ735は、受光部734から出力された電流信号を電圧信号に変換してD/Aコンバータ736に出力する。D/Aコンバータ736は、一次側オペアンプ735と配線763に接続されており、一次側オペアンプ735から出力されたデジタル信号をアナログ信号に変換して配線763を介して制御部600(図3)に出力する。コロナ電流測定回路730は、上述の構成を備えることによって、一次側と二次側との間の絶縁を保ちつつ、二次側の第1イオン電流経路233から入力された信号を一次側の制御部600に出力することができる。
[1−6.制御部で実行される処理]
制御部600は、マイクロコンピュータを含んで構成されており、各種処理を実行する。制御部600は、各種処理として、少なくとも微粒子測定処理および異常判定処理を実行する。
制御部600は、マイクロコンピュータを含んで構成されており、各種処理を実行する。制御部600は、各種処理として、少なくとも微粒子測定処理および異常判定処理を実行する。
まず、微粒子測定処理について簡単に説明する。
微粒子測定処理は、イオン電流測定回路740からの信号SSescおよび信号SWescを用いて煤Sの量を演算する処理である。例えば、微粒子測定処理では、まず、イオン電流測定回路740から入力される低感度信号SWescと高感度信号SSescとを用いて、信号電流Iescに相当するイオン電流Aを演算(測定)する。そして、微粒子測定処理では、イオン電流Aと排ガス中の煤Sの量との対応関係が示されているマップ、あるいはイオン電流Aと排ガス中の煤Sの量との関係式などを用いて、測定で得られたイオン電流Aに対応する煤Sの量を演算する。なお、マップや計算式などは、制御部600の記憶部(RAMなど)に予め記憶してもよい。
微粒子測定処理は、イオン電流測定回路740からの信号SSescおよび信号SWescを用いて煤Sの量を演算する処理である。例えば、微粒子測定処理では、まず、イオン電流測定回路740から入力される低感度信号SWescと高感度信号SSescとを用いて、信号電流Iescに相当するイオン電流Aを演算(測定)する。そして、微粒子測定処理では、イオン電流Aと排ガス中の煤Sの量との対応関係が示されているマップ、あるいはイオン電流Aと排ガス中の煤Sの量との関係式などを用いて、測定で得られたイオン電流Aに対応する煤Sの量を演算する。なお、マップや計算式などは、制御部600の記憶部(RAMなど)に予め記憶してもよい。
制御部600は、微粒子測定処理で煤Sの量を演算した後、演算により得られた煤Sの量(微粒子の量)に関する情報を、報知部920に対して出力する。報知部920は、上述の通り筐体910に設置された表示装置を備えており、受信した情報を表示装置に表示する。
次に、異常判定処理について説明する。図6は、異常判定処理の処理内容を表したフローチャートである。異常判定処理は、コロナ芯線202が短絡異常状態であるか否かを判定する処理である。コロナ芯線202の短絡異常状態は、コロナ芯線202がコロナ内側導体204またはコロナ外側導体203と電気的に接続された状態を意味する。異常判定処理は、制御部600が起動されると実行される。
異常判定処理が実行されると、まず、S300(Sはステップを表す)では、センサ異常カウンタCNSおよびシャーシ異常カウンタCNCをそれぞれリセットする(CNC=0,CNS=0)。
センサ異常カウンタCNSは、微粒子センサ100においてコロナ芯線202のセンサグランド短絡異常(二次側グランド短絡異常)が発生した回数をカウントするためのカウンタである。なお、コロナ芯線202のセンサグランド短絡異常とは、コロナ芯線202がコロナ内側導体204などを介して二次側グランドSGLに電気的に接続された異常状態である。二次側グランドSGLは、二次側の回路の基準電位であるとともに、微粒子センサ100の第1電極112および第2電極132における基準電位であるため、センサグランドともいう。
シャーシ異常カウンタCNCは、微粒子センサ100においてコロナ芯線202のシャーシグランド短絡異常(一次側グランド短絡異常)が発生した回数をカウントするためのカウンタである。なお、コロナ芯線202のシャーシグランド短絡異常とは、コロナ芯線202がコロナ外側導体203などを介して一次側グランドPGLに電気的に接続された異常状態である。一次側グランドPGLは、一次側の回路の基準電位であるとともに、微粒子測定装置300のシャーシ(図示省略)における基準電位であるため、シャーシグランドともいう。
次のS310では、センサ異常カウンタCNSが予め定められたセンサ判定閾値Cth1(例えば、Cth1=1000[回])以上であるか否かを判定しており、肯定判定する場合にはS320に移行し、否定判定する場合にはS330に移行する。
S310で肯定判定されてS320に移行すると、S320では、微粒子センサ100においてコロナ芯線202のセンサグランド短絡異常(二次側グランド短絡異常)が発生したと判定し、その異常状態を通知(報知)する処理を実行する。S320では、通知処理(報知処理)として、コロナ芯線202のセンサグランド短絡異常を示す異常報知画像を報知部920に表示する処理を実行する。
S310で否定判定されてS330に移行すると、S330では、シャーシ異常カウンタCNCが予め定められたシャーシ判定閾値Cth2(例えば、Cth2=1000[回])以上であるか否かを判定しており、肯定判定する場合にはS340に移行し、否定判定する場合にはS350に移行する。
S330で肯定判定されてS340に移行すると、S340では、微粒子センサ100においてコロナ芯線202のシャーシグランド短絡異常(一次側グランド短絡異常)が発生したと判定し、その異常状態を通知(報知)する処理を実行する。また、S340では、コロナ芯線202のシャーシグランド短絡異常を示す異常報知画像を報知部920に表示する処理を実行する。
S330で否定判定されてS350に移行すると、S350では、リニア電圧Vrおよびイオン電流Aを取得する。リニア電圧Vrは、第1放電電圧制御回路711aから第1絶縁トランス720aに印加される電圧である。イオン電流Aは、微粒子測定処理において低感度信号SWescと高感度信号SSescとを用いて演算される電流であり、換言すれば、イオン捕捉部130において捕捉されずに流出した陽イオンPIに相当する信号電流Iesc(補償電流Ic)である。
次のS360では、リニア電圧Vrが特定電圧値Vrmin以下である(Vr≦Vrmin)か否かを判定しており、肯定判定する場合にはS370に移行し、否定判定する場合にはS410に移行する。
S360で肯定判定されてS370に移行すると、S370では、イオン電流Aが第1電流値Amax以上である(A≧Amax)か否かを判定しており、肯定判定する場合にはS375に移行し、否定判定する場合にはS390に移行する。
なお、コロナ芯線202のシャーシグランド短絡異常(コロナ芯線202がコロナ外側導体203に電気的に接続された異常状態)が発生すると、第1絶縁トランス720a(詳細には、二次側コイル)から供給される電力(換言すれば、電流)がコロナ外側導体203を介して一次側グランドPGLに供給されてしまい、第1電極112への電力供給が不可能となる。
このように、コロナ芯線202のシャーシグランド短絡異常が発生すると、微粒子センサ100(ケーシングCS)の外部にイオンが実質的に全て排出された状態と同じになる。このため、イオン電流測定回路740は、シャント抵抗230に流れる二次側電流(Idc+Itrp+Ic)の電流値が入力電流Iinの電流値(目標電流値Ita)と実質的に等しくなるように、大きな値の補償電流Icを第1イオン電流経路233に供給する。このときの補償電流Icの電流値は、コロナ芯線202が正常である場合に信号電流Iescが採りうる数値範囲のうち第1電流値Amax以上となる範囲を示すことになる。
また、コロナ芯線202のシャーシグランド短絡異常が発生すると、コロナ電流測定回路730が信号Sdc+trp+cとして目標電流値Itaと実質的に同等の電流値を示す信号を制御部600に出力する。このような信号Sdc+trp+cを受信した制御部600は、入力電流Iinが目標電流値Itaに実質的に到達したと判断して、第1放電電圧制御回路711aが出力するリニア電圧Vrを特定電圧値Vrmin以下となるように制御する。
これらのことから、コロナ芯線202のシャーシグランド短絡異常が発生すると、リニア電圧Vrが特定電圧値Vrmin以下となり、かつ、イオン電流Aが第1電流値Amax以上となる。そのため、S360およびS370では、リニア電圧Vrおよびイオン電流Aのそれぞれの値に基づいて、コロナ芯線202のシャーシグランド短絡異常が発生したか否かを判定している。つまり、S360で肯定判定され、かつ、S370で肯定判定されると、コロナ芯線202のシャーシグランド短絡異常が発生したと判定できる。
S370で肯定判定されてS375に移行すると、S375では、センサ異常カウンタCNSをリセットする(CNS=0)。次のS380では、シャーシ異常カウンタCNCを1インクリメント(1加算)する。
S370で否定判定されてS390に移行すると、S390では、シャーシ異常カウンタCNCをリセットする(CNC=0)。
なお、コロナ芯線202のセンサグランド短絡異常(コロナ芯線202がコロナ内側導体204に電気的に接続された異常状態)が発生すると、第1絶縁トランス720a(詳細には、二次側コイル)から供給される電力(換言すれば、電流)がコロナ内側導体204を介して二次側グランドSGLに供給されてしまい、第1電極112への電力供給が不可能となる。この場合、第1電極112でのコロナ放電による陽イオンPIの発生量が0となるため、第1電極112からコロナ放電を介してケーシングCSに流れる放電電流Idcおよび捕捉電流Itrpがいずれも実質的に0となる。
なお、コロナ芯線202のセンサグランド短絡異常(コロナ芯線202がコロナ内側導体204に電気的に接続された異常状態)が発生すると、第1絶縁トランス720a(詳細には、二次側コイル)から供給される電力(換言すれば、電流)がコロナ内側導体204を介して二次側グランドSGLに供給されてしまい、第1電極112への電力供給が不可能となる。この場合、第1電極112でのコロナ放電による陽イオンPIの発生量が0となるため、第1電極112からコロナ放電を介してケーシングCSに流れる放電電流Idcおよび捕捉電流Itrpがいずれも実質的に0となる。
しかし、コロナ芯線202のセンサグランド短絡異常が発生すると、第1絶縁トランス720a(第1整流回路751)から供給される入力電流Iinは、コロナ芯線202、コロナ内側導体204、第1イオン電流経路233を介して二次側グランドSGLに流れるため、第1イオン電流経路233に流れる「Idc+Itrp」の電流値が入力電流Iinの電流値と実質的に等しくなる。つまり、第1絶縁トランス720a(第1整流回路751)から供給される入力電流Iinは、第1電極112およびケーシングCSを経由することなく、第1イオン電流経路233およびシャント抵抗230を介して二次側グランドSGLに流れる。
このような状況下でも、イオン電流測定回路740は、シャント抵抗230に流れる二次側電流(Idc+Itrp+Ic)の電流値が入力電流Iinの電流値(目標電流値Ita)と等しくなるように、補償電流Icを第1イオン電流経路233に供給する。つまり、第1イオン電流経路233に流れる「Idc+Itrp」の電流値が入力電流Iin(目標電流値Ita)の電流値と実質的に等しいため、イオン電流測定回路740は、第1イオン電流経路233に供給する補償電流Icを小さな値に制御しようとする。なお、このときの補償電流Icの電流値は、第1電流値Amaxよりも小さい値となる。
また、このようにコロナ芯線202のセンサグランド短絡異常が発生すると、第1絶縁トランス720a(第1整流回路751)から供給される入力電流Iin(目標電流値Itaと同等の電流値)がシャント抵抗230に流れるため、コロナ電流測定回路730が信号Sdc+trp+cとして目標電流値Itaと実質的に同等の電流値を示す信号を制御部600に出力する。このような信号Sdc+trp+cを受信した制御部600は、入力電流Iinが目標電流値Itaに実質的に到達したと判断して、第1放電電圧制御回路711aが出力するリニア電圧Vrを特定電圧値Vrmin以下となるように制御する。
これらのことから、コロナ芯線202のセンサグランド短絡異常が発生すると、リニア電圧Vrが特定電圧値Vrmin以下となり、かつ、イオン電流Aが第1電流値Amaxよりも小さくなる。そのため、S360およびS370では、リニア電圧Vrおよびイオン電流Aのそれぞれの値に基づいて、コロナ芯線202のセンサグランド短絡異常が発生したか否かを判定している。つまり、S360で肯定判定され、かつ、S370で否定判定されると、コロナ芯線202のセンサグランド短絡異常が発生したと判定できる。
S390が終了してS400に移行すると、S400では、センサ異常カウンタCNSを1インクリメント(1加算)する。
S360で否定判定されてS410に移行すると、S410では、センサ異常カウンタCNS、および、シャーシ異常カウンタCNCのそれぞれをリセットする(CNS=0、CNC=0)。
S360で否定判定されてS410に移行すると、S410では、センサ異常カウンタCNS、および、シャーシ異常カウンタCNCのそれぞれをリセットする(CNS=0、CNC=0)。
S380、S400、S410のいずれかのステップが実行されると、再びS310に移行する。異常判定処理は、S310またはS330で肯定判定されるまで、上記の各処理を繰り返し実行する。
なお、異常判定処理においては、S310が一度実行されてから再びS310が実行されるまでの期間(換言すれば、S310の実行周期)は10[mSec]に設定されており、S310では、コロナ芯線202のセンサグランド短絡異常が10[sec](=10[mSec]×Cth1(=1000[回]))以上継続しているか否かを判定している。また、異常判定処理においては、S330が一度実行されてから再びS330が実行されるまでの期間(換言すれば、S330の実行周期)は10[mSec]に設定されており、S330では、コロナ芯線202のシャーシグランド短絡異常が10[sec](=10[mSec]×Cth2(=1000[回]))以上継続しているか否かを判定している。
つまり、異常判定処理では、コロナ芯線202のセンサグランド短絡異常が10[sec]以上継続していると判定すると(S310で肯定判定)、センサグランド短絡異常が発生したと判定し、その異常状態を通知(報知)する処理を実行する(S320)。また、異常判定処理では、コロナ芯線202のシャーシグランド短絡異常が10[sec]以上継続していると判定すると(S330で肯定判定)、シャーシグランド短絡異常が発生したと判定し、その異常状態を通知(報知)する処理を実行する(S340)。
[1−7.効果]
以上説明したように、本実施形態の微粒子測定システム10における微粒子測定装置300は、制御部600において異常判定処理を実行する。
以上説明したように、本実施形態の微粒子測定システム10における微粒子測定装置300は、制御部600において異常判定処理を実行する。
この微粒子測定装置300では、コロナケーブル201(詳細には、コロナ芯線202)またはイオン発生部110(詳細には、第1電極112)などでの電気的接続状態の異常が発生すると、第1絶縁トランス720a(詳細には、二次側コイル)からイオン発生部110(第1電極112)への電力供給が適切に行われない。なお、ここでの電気的接続状態の異常としては、例えば、コロナ芯線202とコロナ内側導体204との短絡異常、コロナ芯線202とコロナ外側導体203との短絡異常などが挙げられる。
この場合、イオン発生部110は適切にイオンを発生できないため、帯電室121での帯電微粒子の生成が適切に実行できず、イオン捕捉部130でのイオンの捕捉も適切に行われない。このため、イオン捕捉部130からコロナ内側導体204を介して第1イオン電流経路233に流れる電流は、電気的接続状態が正常である場合とは異なる異常な挙動を示す。これにより、第1イオン電流経路233のうち補償電流Icが供給される箇所233bと二次側グランドSGLとの間に流れる二次側電流(換言すれば、シャント抵抗230に流れる二次側電流(Idc+Itrp+Ic))についても電気的接続状態が正常である場合とは異なる異常な挙動を示す。
なお、コロナ電流測定回路730および制御部600は、二次側電流(Idc+Itrp+Ic)に基づいて第1絶縁トランス720a(詳細には、一次側コイル)への供給電力量を制御する。このため、二次側電流(Idc+Itrp+Ic)が異常な挙動を示す場合、コロナ電流測定回路730および制御部600による第1絶縁トランス720a(詳細には、一次側コイル)への供給電力量の制御状態は、二次側電流(Idc+Itrp+Ic)の正常時とは異なる特殊な状態となる。
このため、異常判定処理を実行する制御部600は、二次側電流(Idc+Itrp+Ic)に基づく第1絶縁トランス720a(詳細には、一次側コイル)への供給電力量の制御状態に基づいて、コロナケーブル201(詳細には、コロナ芯線202)またはイオン発生部110(詳細には、第1電極112)などでの電気的接続状態の異常を判定できる。
よって、微粒子測定装置300によれば、コロナケーブル201(詳細には、コロナ芯線202)またはイオン発生部110(詳細には、第1電極112)における電圧を直接検出することなく、コロナケーブル201(コロナ芯線202)またはイオン発生部110(第1電極112)などでの電気的接続状態の異常を判定できる。
そして、制御部600は、異常判定処理(S360)において、リニア電圧Vrが特定電圧値Vrmin以下であるか否かを判定し、リニア電圧Vrが特定電圧値Vrmin以下である場合には、コロナ芯線202が短絡異常状態であると仮判定して、センサ異常カウンタCNSまたはシャーシ異常カウンタCNCをインクリメントする(S380、S400)。
また、制御部600は、センサ異常カウンタCNSがセンサ判定閾値Cth1以上となる場合(S310で肯定判定)、またはシャーシ異常カウンタCNCがシャーシ判定閾値Cth2以上となる場合(S330で肯定判定)に、コロナ芯線202が短絡異常状態であると判定している(S320,S340)。
つまり、制御部600は、リニア電圧Vrが特定電圧値Vrmin以下になると直ちにコロナ芯線202が短絡異常状態であると判定するのではなく、リニア電圧Vrが特定電圧値Vrmin以下となる状態が短絡異常時間(本実施形態では、10[sec])以上継続している場合に、コロナ芯線202が短絡異常状態であると判定している(S320,S340)。ここでの短絡異常時間は、S310の実行周期およびセンサ判定閾値Cth1で予め定められるとともに、S330の実行周期およびシャーシ判定閾値Cth2で予め定められている。
制御部600は、このように判定することで、ノイズなどの影響により一時的にリニア電圧Vrが特定電圧値Vrmin以下になった場合に、コロナ芯線202が短絡異常状態であると誤判定することを抑制できる。
よって、微粒子測定装置300によれば、ノイズなどの影響による誤判定の発生頻度を低減できるため、コロナ芯線202の短絡異常状態の判定における判定精度を向上できる。
次に、制御部600は、リニア電圧Vrの状態に加えて(S360)、イオン電流Aの状態に基づいて判定することにより(S370)、コロナ芯線202の短絡異常が、センサグランド短絡異常(二次側グランド短絡異常)であるかシャーシグランド短絡異常(一次側グランド短絡異常)であるかを判定するように構成されている。
上述の通り、この微粒子測定装置300では、コロナケーブル201(コロナ芯線202)またはイオン発生部110(第1電極112)などでの電気的接続状態の異常が発生すると、第1絶縁トランス720a(二次側コイル)からイオン発生部110(第1電極112)への電力供給が適切に行われない。この場合、イオン発生部110は適切にイオンを発生できないため、帯電室121での帯電微粒子の生成が適切に実行できず、イオン捕捉部130でのイオンの捕捉も適切に行われない。このため、イオン発生部110で発生するイオンの量からイオン捕捉部130で捕捉されたイオンの量を差し引いた差分値と相関関係を有する補償電流Icは、電気的接続状態が正常である場合とは異なる異常な挙動を示す。
イオン電流Aは、補償電流Ic(信号電流Iesc)と同様に、イオン発生部110で発生するイオンの量からイオン捕捉部130で捕捉されたイオンの量を差し引いた差分値と相関関係を有する状態量である。
このことから、制御部600は、リニア電圧Vrの状態に加えて(S360)、イオン電流Aの状態に基づいて判定することにより(S370)、コロナ芯線202の短絡異常が、センサグランド短絡異常(二次側グランド短絡異常)であるかシャーシグランド短絡異常(一次側グランド短絡異常)であるかを判定することが可能である。
よって、微粒子測定装置300によれば、少なくともリニア電圧Vrおよびイオン電流Aを含む複数の判定要素を用いることで、単数の判定要素を用いて判定する場合に比べて、判定精度を向上できる。
次に、制御部600は、センサ異常カウンタCNSがセンサ判定閾値Cth1以上となる場合(S310で肯定判定)、またはシャーシ異常カウンタCNCがシャーシ判定閾値Cth2以上となる場合(S330で肯定判定)に、コロナ芯線202が短絡異常状態であると判定している(S320,S340)。
つまり、制御部600は、S360およびS370での判定結果に基づいて直ちにコロナ芯線202が短絡異常状態であると判定するのではなく、S360およびS370での判定結果に基づいてコロナ芯線202が短絡異常状態と判定される状態が短絡異常時間(本実施形態では、10[sec])以上継続している場合に、コロナ芯線202が短絡異常状態であると判定している(S320,S340)。
制御部600は、このように判定することで、ノイズなどの影響により一時的にS360およびS370での判定結果に基づいてコロナ芯線202が短絡異常状態と判定された場合に、コロナ芯線202が短絡異常状態であると誤判定することを抑制できる。さらに、制御部600は、コロナ芯線202の短絡異常状態がシャーシグランド短絡異常状態およびセンサグランド短絡異常状態のうちいずれであるかを判定できる。
よって、微粒子測定装置300によれば、コロナ芯線202の短絡異常状態の種類(シャーシグランド短絡異常状態、センサグランド短絡異常状態)を判別できるとともに、ノイズなどの影響による誤判定の発生頻度を低減できるため、コロナ芯線202の短絡異常状態の判定における判定精度を向上できる。
次に、制御部600は、異常判定処理において、S310で肯定判定すると、コロナ芯線202のセンサグランド短絡異常(二次側グランド短絡異常)が発生したと判定し、その異常状態を通知(報知)する処理を実行する(S320)。また、制御部600は、S330で肯定判定すると、コロナ芯線202のシャーシグランド短絡異常(一次側グランド短絡異常)が発生したと判定し、その異常状態を通知(報知)する処理を実行する(S340)。制御部600は、通知処理(報知処理)として、コロナ芯線202の短絡異常(センサグランド短絡異常、シャーシグランド短絡異常)を示す異常報知画像を報知部920に表示する処理を実行する。
このような制御部600を備える微粒子測定装置300は、報知部920を備えてコロナ芯線202が短絡異常状態であることを報知することで、微粒子測定装置300の使用者に対して、コロナケーブル201の接続状態の確認作業を喚起したり、コロナケーブル201の交換を喚起することができる。
これにより、微粒子測定装置300は、コロナ芯線202が短絡異常状態である状況下で微粒子センサ100を用いた微粒子測定が継続されることを抑制し、微粒子センサ100の測定性能の低下を抑制できる。
そして、微粒子測定システム10は、上述の微粒子測定装置300に対してコロナケーブル201を介して微粒子センサ100を接続した構成をなすものであり、コロナケーブル201(詳細には、コロナ芯線202)またはイオン発生部110(詳細には、第1電極112)における電圧を直接検出することなく、コロナケーブル201(コロナ芯線202)またはイオン発生部110(第1電極112)などでの電気的接続状態の異常を判定できる。
[1−8.文言の対応関係]
ここで、文言の対応関係について説明する。
微粒子測定システム10が微粒子測定システムの一例に相当し、微粒子測定装置300が微粒子測定装置の一例に相当し、微粒子センサ100が微粒子センサの一例に相当し、コロナケーブル201がコロナケーブルの一例に相当し、報知部920が報知部の一例に相当する。
ここで、文言の対応関係について説明する。
微粒子測定システム10が微粒子測定システムの一例に相当し、微粒子測定装置300が微粒子測定装置の一例に相当し、微粒子センサ100が微粒子センサの一例に相当し、コロナケーブル201がコロナケーブルの一例に相当し、報知部920が報知部の一例に相当する。
第1絶縁トランス720aがコロナ放電用絶縁トランスの一例に相当し、第1イオン電流経路233および第2イオン電流経路237が信号線の一例に相当し、一次側グランドPGLが一次側基準電位の一例に相当し、二次側グランドSGLが二次側基準電位の一例に相当し、制御部600およびイオン電流測定回路740が微粒子演算部の一例に相当し、制御部600およびコロナ電流測定回路730がコロナ放電制御部の一例に相当し、異常判定処理を実行する制御部600が異常判定部の一例に相当する。第1電流値Amax以上となる電流範囲が電流増加異常範囲の一例に相当する。
イオン発生部110がイオン発生部の一例に相当し、帯電室121が帯電室の一例に相当し、イオン捕捉部130が捕捉部の一例に相当し、支持金具140が支持金具の一例に相当する。コロナ芯線202がコロナ芯線の一例に相当し、コロナ内側導体204が内側シールド線の一例に相当し、コロナ外側導体203が外側シールド線の一例に相当する。
[2.他の実施形態]
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、様々な態様にて実施することが可能である。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、様々な態様にて実施することが可能である。
例えば、上記実施形態の異常判定処理は、リニア電圧Vrおよびイオン電流Aに基づいてコロナ芯線202が短絡異常状態であるか否かを判定する構成であるが、リニア電圧Vrのみに基づいてコロナ芯線202が短絡異常状態であるか否かを判定する構成であってもよい。このような構成を採ることで、判定処理を簡略化することができ、制御部600での演算処理負荷を低減できる。
次に、異常判定処理のS370での判定内容は、上記判定内容に限られることはなく、例えば、「イオン電流Aが第2電流値Amin以下である(A≦Amin)か否かを判定して、否定判定する場合にはS375に移行し、肯定判定する場合にS390に移行する」という判定内容であってもよい。このような判定内容のS370においても、コロナ芯線202の短絡異常状態がシャーシグランド短絡異常状態およびセンサグランド短絡異常状態のうちいずれであるかを判定できる。この場合、第2電流値Aminよりも大きい電流範囲が電流増加異常範囲の一例に相当する。
あるいは、異常判定処理のS370での判定内容は、例えば、「イオン電流Aが第1電流値Amax以上である(A≧Amax)場合に肯定判定してS375に移行し、イオン電流Aが第2電流値Amin以下である(A≦Amin)場合に否定判定してS390に移行する」という判定内容であってもよい。このような判定内容のS370においても、コロナ芯線202の短絡異常状態がシャーシグランド短絡異常状態およびセンサグランド短絡異常状態のうちいずれであるかを判定できる。この場合、第1電流値Amax以上となる電流範囲を電流増加異常範囲と定義するとともに、第2電流値Amin以下となる電流範囲を電流低下異常範囲と定義してもよい。
また、センサ判定閾値Cth1の数値およびシャーシ判定閾値Cth2の数値は、上記数値に限られることはなく、用途や使用環境などに応じて適切な値を設定しても良い。換言すれば、S310およびS330における異常状態の継続時間の判定値は、10[sec](=10[mSec]×Cth1(=1000[回]))に限られることはなく、5秒あるいは20秒など、用途や使用環境に応じて適切な値を設定しても良い。
次に、報知部920は、表示装置に限られることはなく、例えば、コロナ芯線の短絡異常を示す異常報知音声を出力する音声出力装置で構成しても良い。あるいは、報知部は、表示装置および音声出力装置の両者を備える構成であってもよい。
また、上記実施形態では、微粒子センサ100として第2電極132を有する形態について説明したが、第2電極132を省略して微粒子センサを構成するようにしてもよい。第2電極132を省略しても、帯電微粒子の量に応じて微粒子の量を測定することは可能であり、第2電極132を省略した分だけ微粒子センサをシンプルな構成にできる。その場合には、電気回路部700から、第2電源回路710b、第2絶縁トランス720b、第2整流回路752、ショート保護用抵抗754、補助電流経路235についても省略してもよい。
また、微粒子測定システムを構成する微粒子センサは、イオン発生部が排ガス帯電部の外側に並んで設けられる構成に限られることはなく、例えば、イオン発生部が排ガス帯電部内に配置される構成であってもよい。さらに、微粒子測定システムを構成する微粒子センサとしてイオン発生部を排ガス帯電部内に配置する場合には、センサ駆動部から空気供給部を省略し、微粒子センサは、帯電室に空気供給部による高圧空気の供給を行わない構成を採るようにしてもよい。このような微粒子センサとしては、例えば、本願の出願人が出願している特開2015−129711号公報に開示されたセンサ構造を適用することが可能であり、その開示内容の全体は参照によりここに組み込まれる。
また、コロナ電流測定回路は、光結合式のアイソレーションアンプに限られることはなく、例えば、磁気結合式や容量結合式のアイソレーションアンプであってもよい。
さらに、コロナケーブルは、トライアキシャルケーブル(コロナ芯線、コロナ内側導体、コロナ外側導体がこの順に内側から外側にかけて同軸状に配置された構成のケーブル)に限られることはない。例えば、コロナ内側導体およびコロナ外側導体がコロナ芯線を覆うことなく、コロナ芯線、コロナ内側導体、コロナ外側導体が並列配置された構成のケーブルを、コロナケーブルとして使用してもよい。あるいは、コロナ芯線およびコロナ内側導体を有する第1ケーブルと、コロナ外側導体を有する第2ケーブルとに分離可能に構成されたケーブルを、コロナケーブルとして使用しても良い。
さらに、コロナケーブルは、トライアキシャルケーブル(コロナ芯線、コロナ内側導体、コロナ外側導体がこの順に内側から外側にかけて同軸状に配置された構成のケーブル)に限られることはない。例えば、コロナ内側導体およびコロナ外側導体がコロナ芯線を覆うことなく、コロナ芯線、コロナ内側導体、コロナ外側導体が並列配置された構成のケーブルを、コロナケーブルとして使用してもよい。あるいは、コロナ芯線およびコロナ内側導体を有する第1ケーブルと、コロナ外側導体を有する第2ケーブルとに分離可能に構成されたケーブルを、コロナケーブルとして使用しても良い。
10…微粒子測定システム、100…微粒子センサ、110…イオン発生部、111…イオン発生室、112…第1電極、120…排ガス帯電部、121…帯電室、130…イオン捕捉部、132…第2電極、140…支持金具、201…コロナケーブル、202…コロナ芯線、203…コロナ外側導体、204…コロナ内側導体、205…コロナケーブルコネクタ、211…補助ケーブル、212…補助芯線、213…補助外側導体、214…補助内側導体、215…補助ケーブルコネクタ、233…第1イオン電流経路、235…補助電流経路、236…第2基準経路、237…第2イオン電流経路、300…微粒子測定装置、600…制御部、700…電気回路部、710…電源回路、710a…第1電源回路、710b…第2電源回路、711a…第1放電電圧制御回路、711b…第2放電電圧制御回路、712a…第1トランス駆動回路、712b…第2トランス駆動回路、720…絶縁トランス、720a…第1絶縁トランス、720b…第2絶縁トランス、730…コロナ電流測定回路、740…イオン電流測定回路、751…第1整流回路、752…第2整流回路、800…空気供給部、920…報知部、930…操作入力部、CS…ケーシング、PGL…一次側グランド、SGL…二次側グランド。
Claims (8)
- 被測定ガス中の微粒子を検出する微粒子センサに電気的に接続されて、前記微粒子センサを制御して前記被測定ガス中の前記微粒子の量を測定する微粒子測定装置であって、
前記微粒子センサは、
コロナ放電によってイオンを発生するイオン発生部と、
前記被測定ガスを取り込み、前記イオンを用いて前記被測定ガス中の前記微粒子を帯電させて帯電微粒子を生成するための帯電室と、
前記イオン発生部で発生した前記イオンのうち前記微粒子の帯電に使用されなかった前記イオンを捕捉する捕捉部と、
前記イオン発生部、前記帯電室、前記捕捉部のそれぞれと電気的に絶縁された状態で、前記イオン発生部、前記帯電室、前記捕捉部を支持する支持金具と、
を備えており、
当該微粒子測定装置は、
一次側コイルおよび二次側コイルを有して電圧変換を行うコロナ放電用絶縁トランスと、
前記捕捉部から前記二次側コイルの基準電位である二次側基準電位に至る信号経路のうち少なくとも一部を形成する信号線と、
前記微粒子センサから外部に排出される前記帯電微粒子の量に応じて前記信号線に供給される補償電流の電流値に基づいて、前記被測定ガス中の前記微粒子の量を演算する微粒子演算部と、
前記二次側コイルに発生するイオン電力を制御するために、前記信号経路に流れる二次側電流に基づいて前記一次側コイルへの供給電力量を制御するコロナ放電制御部と、
を備えており、
当該微粒子測定装置は、コロナケーブルを介して前記微粒子センサに電気的に接続されており、
前記コロナケーブルは、コロナ芯線と、内側シールド線と、外側シールド線と、を備えており、
前記コロナ芯線は、前記二次側コイルから前記イオン発生部に対して電力供給するための経路のうち少なくとも一部を形成し、
前記内側シールド線は、前記コロナ芯線とは電気的に絶縁された状態で、前記捕捉部および前記信号線のそれぞれに電気的に接続されており、
前記外側シールド線は、前記コロナ芯線および前記内側シールド線とは電気的に絶縁された状態で、前記一次側コイルの基準電位である一次側基準電位および前記支持金具にそれぞれ電気的に接続されており、
当該微粒子測定装置は、さらに、
前記コロナ放電制御部による前記一次側コイルへの供給電力量の制御状態に基づいて、前記コロナ芯線が前記内側シールド線または前記外側シールド線と電気的に接続された短絡異常状態であるか否かを判定する異常判定部を備える、
微粒子測定装置。 - 前記異常判定部は、
前記コロナ放電制御部による前記一次側コイルへの供給電力量の制御状態が、前記一次側コイルに印加される電圧が予め定められた電圧低下異常範囲に含まれる状態となる低下異常制御状態である場合に、前記短絡異常状態であると判定する、
請求項1に記載の微粒子測定装置。 - 前記異常判定部は、
前記コロナ放電制御部による前記低下異常制御状態が予め定められた短絡異常時間以上継続している場合に、前記短絡異常状態であると判定する、
請求項2に記載の微粒子測定装置。 - 前記異常判定部は、
前記コロナ放電制御部による前記一次側コイルへの供給電力量の制御状態に加えて、前記補償電流の電流値に基づいて判定することにより、前記コロナ芯線が前記外側シールド線と電気的に接続された一次側短絡異常であるか、前記コロナ芯線が前記内側シールド線と電気的に接続された二次側短絡異常であるかを判定する、
請求項1から請求項3のうちいずれか一項に記載の微粒子測定装置。 - 前記異常判定部は、
前記コロナ放電制御部による前記一次側コイルへの供給電力量の制御状態が、前記一次側コイルに印加される電圧が予め定められた電圧低下異常範囲に含まれる状態となる低下異常制御状態であり、かつ、前記補償電流の電流値が予め定められた電流増加異常範囲に含まれる状態となる場合には、前記コロナ芯線が前記外側シールド線と電気的に接続された一次側短絡異常であると判定し、
前記コロナ放電制御部による前記一次側コイルへの供給電力量の制御状態が前記低下異常制御状態であり、かつ、前記補償電流の電流値が前記電流増加異常範囲に含まれない状態となる場合には、前記コロナ芯線が前記内側シールド線と電気的に接続された二次側短絡異常であると判定する、
請求項4に記載の微粒子測定装置。 - 前記異常判定部は、
前記コロナ放電制御部による前記一次側コイルへの供給電力量の制御状態が前記低下異常制御状態であり、かつ、前記補償電流の電流値が前記電流増加異常範囲に含まれる状態が予め定められた一次短絡異常時間以上継続している場合には、前記コロナ芯線が前記一次側基準電位と電気的に接続された一次側短絡異常であると判定し、
前記コロナ放電制御部による前記一次側コイルへの供給電力量の制御状態が前記低下異常制御状態であり、かつ、前記補償電流の電流値が前記電流増加異常範囲に含まれない状態が予め定められた二次短絡異常時間以上継続している場合には、前記コロナ芯線が前記二次側基準電位と電気的に接続された二次側短絡異常であると判定する、
請求項5に記載の微粒子測定装置。 - 前記異常判定部にて前記短絡異常状態と判定された場合に、前記コロナ芯線が前記短絡異常状態であることを報知する報知部を備える、
請求項1から請求項6のうちいずれか一項に記載の微粒子測定装置。 - 被測定ガス中の微粒子を検出する微粒子センサと、
前記微粒子センサにコロナケーブルを介して電気的に接続されて、前記微粒子センサを制御して前記被測定ガス中の前記微粒子の量を測定する微粒子測定装置と、
を備える微粒子測定システムであって、
前記微粒子測定装置は、請求項1から請求項7のうちいずれか一項に記載の微粒子測定装置である、
微粒子測定システム。
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