JPS58204340A - 気体試料中のエ−ロゾル粒子量を連続測定する方法と装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は内燃機関排気ガスなどの気体試料中のエーロ
ゾル粒子量を測定するべく、光学的レーリー帯域の［磁
波をこの試料に刑し、その結果としての吸収度を測って
これを迩宜の測定値として利用する、という方式のエー
ロゾル粒−１ 子測定方法、及びこの方法を来施するだめの装置、に関
する。

気体試料中のエーロゾル粒子含有量を連続的に測定する
ための従来公知の方法にあっては、粒子を含んだ試料中
を光線が透過させられ、これら粒子による光線の吸収な
いし散乱が測られる。　そして公知方法の一つによれば
、粒子の半径に近いオーターの波長を有する光線が用い
られ、いわゆる光学的ミー帯域において＃ｌＩ足が行わ
れる。　然るに、この帯域では牢位質量当りの吸光係数
、従って全吸光度も粒子の大きさによって強く左右され
るから、少くとも平均粒径を同時に測定しないかぎりは
エーロツル粒子の総量を求めることはできない。　そし
て例えば、内燃機関排気ガス中のエーロゾル粒子量の測
定にあっては、その平均粒径が使用燃料及び添加剤の粒
径のほか、内燃機関の運転状態によって左右され、従っ
てこの公知の方法で測定すれば実際に発散されているエ
ーロゾル粒子の総量はその概略の近似値が得られるに過
ぎない。

上記と異なる別の公知の方法においては、上記のＩＩＷ
ｉ域よりも波長が長い、例えば赤外線穢の光線を用いて
測定が行われる。　この波長では単位粒子量あたシの吸
光ｇＡ数は粒径と無関係であり、いわゆる光学的レーリ
ー帯域において測定か行われる。　しかし、入射する光
線の波長が長くなるに伴いエーロゾル粒子の吸光横断面
が急赦に減小するから、・非常に弱い高力信号にもとす
いて得られる測定値の正確度は外部からの１譬を受は著
しく低下する。

このような状況に駄み、％１Ｍに発散されている粒子板
の間化に基因する測定吸光度の変化を、１’ｌｌｌ定＊
器自体に基因する変動、例えば光源強度の変動、と分離
して検出するだめの特殊な測定光度を正確に測定するべ
く提案されている他の方法にあっては、同じ強度と周波
数の光線、望ましくかよ唯一の光源から放射される光線
が、試料を保持した試料部とこれを保持し７ない対照部
とに透過させられるのであるが、この場合、測犀対岨の
粒子による吸光のみならずキャリヤーガス中の成分によ
る吸光も起きていているから、試料部と対照部とに同じ
ガスを収容しておかねばならず、不便である。　キャリ
ヤーガス中の成分による吸光は一般に特定の共鳴吸収帯
（複数）で生じ、これら吸収帯は赤外及び遠赤外線域、
つまり２ｐｎ＋よりも長い波長の帯域内に互いに非常に
接近して存在する。　故にこの公知方法にあっては、粒
子を含有した気体試料を測定したあとこれを鰯過して粒
子を除去し、キャリヤーガスの、みについての測定を新
たに行わねばならないのである。　かくしてこの場合に
は排気ガス管内の全ガス流を測定する仁とができず、供
試用の徘做ガス分流を設けて測定せざるをえないから、
＃ｌｌｌｌノコストくな〕測定結果も不正確になる。

この発明が解決しようとするｇｌＭｆｉ、したがりて上
述した公知方法の欠点を避けること、及び冒頭に記載し
た種類の測定方法を、仮に含有量が稀薄であったとして
も鉋体試料中の粒子量を簡単に測定できるように構成す
ることである。

この課題は、この発明においては次の如くにして、 即ち、８．８〜４．１６μｍの帯域の波長を有する電磁
波を用い、試料を保持した試料部とこれを保持しない対
照部とにこのｗｔｔｍ波を透過させること、及びこれら
両部を透過したあとの１１［磁波の強度の差を、この試
料の単位容積中に含まれている広帯域吸収性の、特にグ
ラファイト系粒子の緻に比例した測定値として用いるこ
と、 によって達成される。

この発明は、赤外線域ないし光学的シー１１−帯域の中
には、キャリヤーガス、特に内燃機関排気ガス中のいか
なるガス成分も、測定すべき吸光度に何ら影響を及はさ
ない、という周波数帯域が測定対敵のエーロ１２粒子に
とって存在するものであシ、そしてこの周波数帯域での
光線の吸収が祉縮された燃焼生成物のみに起因する、と
いう驚くべき事実を見出し、このｉ＃実に基いて発明さ
れたものである。

既にｗ顧に記したように、この周波数帯域でのエーロゾ
ル粒子の吸光度は非常に小さいから、例えば数勢篇オー
ダーの徽量な粒子濃度にいたるまで正確に測定するには
特別のシスデふを必要とする。　　しかし、このことは
本弁明によれば、試料を保持した試料部とこれを保持し
ない対照部とに同時に光榊を透過させ、桜両部を透過護
の光度の差を求める、という方法で容易に可能であり、
そしてこの場合には上述のようにこの帯域で測定される
吸光度がキャリヤーガスの如何とは無関係でるるところ
からして、対照部内の混合ガスに対して要求されること
は、測定対重のエーロゾル粒子を含んでいないという条
件だけであり、従って対照部内に収容するガスとしては
室内空気又はこれと同様な清浄なガスであればよいから
、測定の前に粒子含有試料ガスを鱈過する必要がなくな
るのである。

さらに驚くべきことは、上述の本発明方法を改変、つま
り中心が８．８６〜８．５μｍの波長域にあり半価幅が
０．８μｍ以下であるような周波数帯域の電磁波を用い
ることにすれば、王妃した両部を透過し九あとの光度の
差を、試料が含有しているエーロゾル粒子の単位容積当
シの総量に比例した測定値として直接利用することがで
きる、ということである。　かくして、最初に述べたと
ころのグツファイト系粒子測定に適した波長帯のほかに
別の波長帯の電磁波をも選択で齢るわけであり、この後
者によってもやはり１ｌＮｄされ九排完ガス中の特定の
燃焼生成物についての測定が可能なのである。

本発明方法のさらに別の実施態様においては、グラファ
イト系粒子と有機溶剤可溶粒子とにわけてエーロゾル粒
子を分別測定するために、後者に起因する共鳴吸収が８
，８５〜８．６μｍの波長帯において測定される。　内
燃機関の排気力スについては、このような有機溶剤可溶
粒子は主とＬ７て凝縮した病化水素／ｊ−滴である。　
気体試料中のこの種粒子の含有量を共鳴吸収域ないしそ
の近傍で測定される場合、この帯２域にも当然存在する
ところの広帯穢性のグラファイト系粒子起因性のバック
グフウンド的吸収が既知であることを前提としている。

グラファイト系エーロゾル粒子は、使用される波長によ
り且つレーリーの法則に従って吸光するから、特定の一
周波数での測定結果に基き、該法則が適用される全波長
域、特に問題としている共鳴吸収帯域での吸光を求める
ことができる。　即ち、上記の８．８５〜８．６μｍで
の吸収を基にして、気体試料中のこの種粒子による吸収
、つ１り共鳴吸収をもたらす該粒子の濃度を推定できる
のである。

この発朋方法を実施するための一装置であって、光源の
あと且つ試料部と対照部を保持した各測定室のまえに光
線分割器が配置されていて各測定室を通ったあとの部分
光路（（［数）が転向手段により再び合流させられると
共に、任意の所定の周期で部分光路の光線（複数）を交
互に共↓の１つの検出器へ導ぐべき選択手段も備えてい
る構成の装置にあっては、 上記の光線分割器と転向手段とが平行平面板からなり、
この平行平面板が使用光線に対し透明かつそこに入射す
る光線に対しプルーヌターの角で傾斜させられていると
共に、 上記の選択手段が検出器のまえに配設の回転ｉ在の偏光
解析器からなシ、この解析器がその一回転ごとに、合流
光路中の偏光性の異なる部分光線を交互に通過させるべ
く構成されている。

入射光線に対しブルースター角で平行平面板を傾斜させ
であることにより、ｎ−偏光部分光線のみが反射され、
ｐ−偏光部分光線は完全に透過することがで酉る。　か
くして、試料部と対照部には夫々部分光線が透過させら
れ、これら部分光線は偏光性の相違により明確に区分で
き、しかも検出器のまえに配置した回転自在の偏光解析
器を経てこのように分別された吠態で部分光線が該検出
器へ導かれてそこで光度が測定されることになる。　検
出器では解析器の周期に相当し友交流信号が得られ、こ
の信号の強さは求めるべき粒子含有量を示す尺度を与え
る。

このような系の利点は、両部分光線が同じ強さとされ、
且つ試料部の中にエーロゾル粒子が全く存在しない限り
において、検出器で検出記録される光度が偏光の幾何学
的条件からして経時変化することはなく常に一定値を保
つ、ということである。　偏光解析器が狂いを生じるこ
とは実際上ありえないことであるから、入射光線の強さ
の変動が測定結果に影響を及ぼすことも実際上ありえな
いのである。

上記の例に限らず、例えば所定周期で交互に部分光線を
検出器へ入射させるべく複数の孔を穿設し九回転自在の
穿孔円板を備えた構成であってもよい、　しかしこの場
合には該円板を正確に作動させ入念に較正せねばならな
いが、それはどの時点をとっても両部分光線が全強度の
ままで検出器に入らない、即ち、いずれの部分光線も検
出器に入射しないようにするため、換言すれば検出器に
は明輝ピーク又は暗黒ピークのいずれも入力されないよ
うにするためである。

前述の本発明方法を実施するべく本発明により提供され
る上記以外の装置であって、光源のあと、且つ試料部と
対照部とを保持した各測定室のまえに光線分割器が配置
されているものにあっては、これら試料部と対照部のめ
との光路縁する１つの演算回路に接続されていることが
その特徴となっている。　この場合、分離された両検出
器の電子回路は、気体試料中の吸光に出力測定信号が対
応させられ、且つ粒子を含まない試料については一定の
既知の値、望ま１−７〈はゼロとなるように構成される
。

以下図示実施例を説明する。

第１図に示す装着は内燃機関排気ガス中のエーロ１〜粒
子量を連続的に測定するためのものである。　これは光
源（１）を有し、この光源が赤ｙＦ域又はこれによりさ
らに近い波長域の電磁波を放射する。　光源ｆｌ）に続
く光路（２）には半透鏡（３）が配置され、この鍵が２
つの部分光路を与え、その中の一方（４）は測定室（７
）に保持された試料部（６）を透過し、他方の部分光路
（５）は鏡（８）で転向されたのち測定室−内の対照部
（９）を透過する。

試料部（６）ないし対照部（９）を遡ったあとの部分光
路＋４１　、　ｆｉｌ　Ｋは夫々集光レンズ（川が配置
され、これら部分光路＋４＋　、　＋５１の光線の焦点
をそれぞれの検出器０ス（、賎にあてる作用をなしてい
る。　電線Ｉを介して演算回路ｕへが検出器１１２＋　
、　（１１へ接続されていて、この演算回路は両検出器
からの信号の差のみを記録し、その出方線（１＠へ利用
可能ゾル粒子数を測定するべき試験対験内燃機関の排気
ガスを試料部（６）に直接貫流さ、せることかできる、
　対照部（８）の内部には、この目的のために室内の空
電又は同様の純粋なガス混合物を収容しておくことがで
きる。

使用光線回道の窓０ηを通り測定１ｉ！ｆ７１．叫を透
過する部分光路ｆ＋）　、　ｆｉｌの光線は、試料部（
６）又は対照部（９）の中にあるガス又はＩス伏の試料
のその時々の吸収特性に応じて弱められるから、光線特
性を適切に選択するならば演算回路−又はその出力ｌ１
（ｌ＠から得られる差の信号が、試料部（６）の中の排
気ガスの質量負荷に直接対応することになる。　従って
、例えば放射光線の波長が８．８〜４．１６μｍの帯域
にある光＃　（１１を用い、かつ図示の装置を使うこと
により、かっデータを適切に較正するならば、試料中に
含まれる特別の物質が広帯埴吸収性の、特にグラファイ
ト糸の粒子であると直接断定することができる。　狭帯
植の光源を用いる、あるいは光路（２）中もしくＦｉ試
試料色対照部を通過後にフィルタにより所望の周波数を
選択するか、のいずれの方策をとっても本発明に係るシ
ステムの機能には原則的に何ら差異を生じないことが明
らかであろう。

また、この装置にあっては、試料部（６）内に粒子のな
い排気ガスが含まれている場合には、演算回路−で得ら
れる差の信号が既知の値、好ましくは０（ゼロ）、でな
ければならないことに注、１′ 目されるべきであって、そのためには、上記の両検出器
がその感度を相互に調整できるが、又は図示されてはい
ないが適宜の減衰器が両部分光路のうちの一方へ挿入し
うろことが必要である。　試料部（６）内にエーロゾル
粒子が存在しないときは、この装ＫＣ）Ｅ確な調整、お
よび光源強度の変更、特に光源のスイッチを切ること、
によって上記の差の信号は一定の値（特にゼロ）となる
はずである。　所要の感度調整機能を備えた赤外線検出
器は公知である。

差の信号を所望どうりに調整するに当っては、電子的制
御回路を光線分断器と組合わせて用いれば有利である１
、　そのためには、試料部（６）内に粒子がない伏縣の
とき光路（２）中に光線分断用の円板−が挿入されるが
、この円板は所定の頻度で光線の遮断と通過を行なうも
のであり、一方、検出器α乃、０１の感度及び／又は上
記した減衰器の感度の調整は、両検出器へ入力される光
源強度が周期的に変動させられるにもかかわらず、この
周期の交番電圧が演算回路９荀の出力端からは出力され
ない状態となるように行われる。

光線分断用の円板−は、本格的測定のあいだ光源ｉｌｌ
からの光線を所定期間変調することもできる。

上述したところから明らかなように、この期間において
演算回路側からの出力信号はセロ（光源が上記円板で被
覆されているとき）から、試料部＋６１内の粒子の量に
比例した一定のｆＩＬまでのあいだで変動する。　この
交流信号はノイズにより本来の値よりも高い強度のもの
に電層されている場合であっても、現在公知のロック・
イン（−期検波型の信号検出）技術を応用して定量的に
検出することができる。

この目的のため光線分断用円板（財）はその外周縁部に
周期性Ｓ繊を備え、との標識が、例えば光線遮断技術を
用いて製作されているパルス発生器−を介してパルス信
号を発生し、ロック・イン型に構成されている演算回路
０６）へこれらのパルス信号を与えるようになっている
。　従ってパルス発生器□□□からの信号と同じ周期で
変動する検出器出力信号中の成分のみが測定すべ色信号
として取出されるから、ノイズが高いときでも正確な測
定ができる。

中心が８．８６〜８．５μｍの波長帯域にあり半価幡が
たかだか０８μｍである周波数帯域の電磁波を検出ｉａ
ｚ、ａ↓へ入力するかぎり、試料部と対照部を通過した
あとの光度の差は試料中に含まれる粒子の、単位容積あ
たりの総量に比例した測ボ値としてそのまま直接利用で
きる。　前述した周波数帯（８８〜４．１６μｍ）での
計測し二時園的に前後し７て、あるいは別の検出装置叶
〜０→を用いて行うことに加え、８．８５〜８．６μｍ
の帯域の波長についての共鳴吸収が測定されるならば、
エーロゾル粒子をグラファイト糸部分と非グラフアイｈ
糸ないし有機溶剤可溶性の部分とに別けた測定を上記シ
ステムによって行うことができるのであり、このことは
、特に新型のエンジンないし燃焼方法の開発においてエ
ンジンの諸元を変化させたときの影響を評価する上で非
常に有用なことである。

第２図に示す装置は、気体試料中のエーロゾル粒子量を
連続的に測定するためのものであり、これが第１図の装
置と異なっている実質上唯一の点は、光源ｆｉ＋により
光路（２）へ放射される光線が先ず最初に平行平面板０
１に入射することであり、この平行平面板はここで使用
される光線に関し透明であって、その表面が入射光線に
対しブルースターの角＜Ｚｐだけ傾斜しているから、互
に直角に偏光された部分光線を簡単に生じさせるところ
の光線分割器がそこに構成されているわけである。　こ
のような構成の平行平面板にのｐ−偏光部分光線と同様
にまだ完全に１００％の光度を有している光線）から、
ｎ−偏光部分光線が鏡（１ｇ！の方向へ反射され、一方
ｐ−偏光部分光線は対照部（９）へ向う方向に上記平行
平面板Ｑ＠を完全に透過するのである。　ブルースター
の角は次の式、即ち、 ａｐ　　”　　ｔａｎ　　　ｎ。

で与えられ、ここに、ｎｏは使用される平行平面板（ｌ
ｔ４の屈折率である。　平行平面板を透過する部分光線
は完全に偏光されてはいす、なおｎ−偏光部分光線をい
く分か含んでいる。　　しかしこの混入−一偏光部分光
線は屈折率ｎ０が大急ければ大舞いほど少くなる。　例
えば平行平面板（１樽としてゲルマニウムのものを用い
れば、ここで使われる赤外部の波長に対しｎ（１＝４で
あり、平行平面板を２回透過したあとのｎ−偏光部分光
線の割合は１％にまで低下する。

ブルースターの角で反射されたｎ−偏光部分光線は、偏
光力を勿論有していない鏡０（至）で転向させられたあ
と測定室（７）内の試料部＋６）を透過し、次いで別の
鏡（ｌ−でｐ−偏光部分光線、つまり測定室（境内の対
照部（９）を透過する部分光線の光路に配置されている
第２の平行平面板部の方へ向うべく転向させられる。　
この平行平面板もやはりこの部分光線の光路に対しブル
ースターの角で傾斜させられているから、ｎ−偏光部分
光線はここで反射され、ｐ−偏光部分光線はそのまま透
過する。　第２の平行平面板部を出たあと再び合流させ
られる両部分光線は、第２図ではわかり易くするため隣
接した２本の直線で示しである。

検出器−の手前には回転式の偏光度解析器シｌ）が配置
してあり、この解析器はその１回転ごとに、合流部分光
線中のいずれかに偏光されている部分光線のみを交互に
通過させるから、両部分光線は分離されつつ時間的に相
前後していずれも検出器−へ入力される。　検出器−の
出力端−では交流信号が得られるが、その周波数は解析
器＠ｌ）の回転周期に相当し、その強度は両部分光線の
光度の差に相当する。　減！Ｉ器（ハ）により両部分光
線の相対的強度を調整することによって、試料部（６）
に粒子がない場合の出力信号の差がゼロとなるようにす
ることが肝要である。

公知の赤外線源および検出器は、その強度ないし感度が
変動することがあり、このことは測定実施間隔が長時間
にわたる場合に測定誤差を生ずる危険のあることを意味
する。　これを防止するための一法は、標準吸光板を用
いこのシステム常時較正することである。　即ち、ζこ
に投入すればよい。　この吸光剤があるときと無いとき
との測定値の差から、各時点での光源強度と検出器Ｗ＆
度との積を得ることができ、これを用いて吸光剤がない
ときの測定値を較正することができる。　この方法によ
れば、この装置の可使用時間は上記（Ｒ）値に応じて短
かくなるけれども測定の正確度は顕著に向上する。

上記した部分光線偏光法に代えて通常の偏光器を光路中
に配置してもよいが、その場合には製作コストが高くな
シ装置全体としても実質上コスト高になる。

【図面の簡単な説明】

図はこの発明の方法を実施するための装置を示し、第１
図は一実施例の概略抑明図、第２図は他の実施例の概略
説明図である。 ＋４１　、　［１・・・・・・光路、（６）・・・・・
・試料部、（９）・・・・・・対間部、ｔ＋２１　、０
１・・・・・・検出器、輛・・・・・・演算回路、０８
１・・・・・・平行平面板、ｃ２１１・・・・・・偏光
解析器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ■　光学的レーリー帯域の電磁波を試料に透過させ、そ
   の結果としての吸光度を測定し、これを適宜の測定値と
   （、て利用する方法において、 ８．８〜４．１５１１ｍの波長帯域のＶ、　Ｎｍを用い
   、試料を保持した試料部のほか、対照部にもこの電磁波
   を透過させること、及び、 試料部と対照部とを夫々透過したあとの電磁波強度の差
   を、この試料の中に含まれているところの広帯緘吸収性
   のグラファイト系などの単位容積当りの粒子量に比例し
   た測定値として利用すること、 を特徴とする内燃機関排気カスなどの気体試料中のエー
   ロゾル粒子量を連続的に測定する方法。 ■　前記エーロゾル粒子量のうちのグラファイト系の部
   分と有ｍ溶剤可溶性の部分とを分けて定量するために、
   ８．８５〜８，６μｍの波長帯域におけるこの有機溶剤
   可溶性の部分による共鳴吸収を追加して測定する特Ｗｌ
   ｆ請求の範囲第０項に記載の方法。 ■　光学的レーリー帯域の１を磁波を試料に透過させ、
   その結果としての吸光度を測定し、これを１宜の測定値
   として利用する方法におい。 て、 中心が８．８６〜８．６μｍの波長帯域にあって半価幅
   がたかだか０．８μｍである周波数帯の電磁波を用い、
   試料を保持した試料部のほか対照部にもこの電磁波を透
   過させること、及び 試料部と対照部とを夫々透過したあとの′１１．磁波強
   度の差を、試料中に含まれているエーロゾル粒子の単位
   容積当りの量に比例した測定値として利用すること、 を特徴とする内燃機関排気ガスなどの気体試料中のエー
   ロゾル粒子量を連続的に典定する方法。 ■　光源の後方、かつ試料部を有する測定室と対照部を
   有する測定室の前方に光線分割手段が配置され、分割さ
   れた部分光路が両測定室を通ったあとこれら部分光路を
   栴び合流させる転向手段が設けられ、且つ、合流後の光
   路に配置されている共通の検出器へ、所定の周期で両部
   分光路からの光線を交互に大刀させるための選択手段を
   備えている装置において、上記の光線分割手段と転向手
   段がいずれも平行平面板０〜からなり、使用される光線
   に関してこの平行平面板が透明であり、その表面が入射
   光線に対しブルースターの角（αｐ）で傾斜させられて
   いること、及び上記の選択手段が上記検出器の前方に配
   置の回転自在の偏光解析−６２１１からなり、この解析
   器が、合流後の光路を走る伽光性の異なる両部分光線を
   その一回転中に交互に透過させるべく構成されているこ
   と、 を特徴とするエーロゾル粒子量連続測定器。 ■　光源の後方、かつ試料部を有する測定室と対照部を
   有する測定室のＭｉＪ方に光線分割手段が配置されてい
   る装置において、 試料部（６１と対照部（９）の後方の光路＋４）　、　
   ＋６＋にそれぞれ別の検出器１１２）　、　ｔ１３）が
   配置されていること、及び 上記検出器（＋Ｚ　、　ＵＳが、これらから出力される
   信号の差を演算記録する演算回路（１５）に接続されて
   いること、 を特徴とするエーロゾル粒子歓連続測定器。