气体分析装置及气体分析方法

专利名称：气体分析装置及气体分析方法
技术领域：
本发明涉及一种气体的分析装置，特别是涉及一种气体分析装置 及气体分析方法，其能够实时地求取流动于发动机的排气管等气体通 道的气体中所包含的气体成分浓度等。
背景技术：
一直以来，作为汽车等的废气分析装置，有记载于日本特开2004-117259号公报(专利文献1)的车载型HC测定装置。该车载型 HC测定装置能够将下述构件安装于车内用于连续测定流动于与发动 机相连的排气管内的废气中的HC(碳氢化合物)浓度的NDIR(非分散红 外线法)型气体分析计；连续测定流动于排气管内的废气流量的废气流 量计；对NDIR型气体分析计及废气流量计各自的输出进行运算处理， 并连续计算废气中的THC(总碳氢化合物)量的运算处理电路。记载于所述专利文献1的废气分析装置，虽然能够对行马史在实际 道路上的车辆简单地测定其废气中的THC,但由于是使废气通过管路 从发动机的排气路径流动到分析部再进行气体成分的分析，因而无法 进行实时的分析，而且为尽量将所述设备等抑制在较小程度，只能分 析HC等有限的成分。因此，希望获得一种废气分析装置，其在发动 机的开发以及附属于发动机的废气净化装置等机器的开发阶段，对于 废气中碳氢化合物以外的成分，例如氮氧化物及一氧化碳等也能够简 易测定，并且能够实时地测定废气成分、气体浓度等。因此，本申请人开发了 一种即使对于废气中的例如氮氧化物及一 氧化碳等多种气体成分，也能够进行简易实时测定的气体分析装置。该气体分析装置如图7所示。在传感器部72中，其中央部分形成有贯通孔73,反射镜74、 74 隔着贯通孔73而相对地配置。该传感器部72被设置在与发动机相连 的排气管等气体流道上，并被构成为可使激光照射到流过传感器部72 的贯通孔73内的气体。而且，激光二极管70发射含有由测量对象气体成分吸收的波长的 激光，所发射的激光通过光纤81而被导入分波器71，且被分波器71 分波成测量用激光与参照用激光。通过分波而得到的一方的测量用激 光通过光纤82而被导入传感器部72的照射部，并从照射部照射到流 动于贯通孔73内的气体中。照射到气体中的测量用激光，在反射镜74、 74之间经过多次反射，在透过气体期间，特定波长的激光被包含在气 体中的气体成分吸收后，再被受光器75接受。接受到的测量用激光在 受光器75处被转换为电信号85，该电信号85被输出到差分检测器77 和I/V转换器80。被输入到I/V转换器80的电信号85在被I/V转换器 80进行I/V转换之后，再被A/D转换器78转换成数字信号，并作为测 量受光强度信号而被输入到分析装置(计算机)79中。另一方的参照用激光通过光纤83而被导入受光器76,被受光器 76接受并被转换为电信号86，且该电信号86被输出到差分检测器77。 差分检测器77计算从气体中透过的测量用激光的电信号85和未从气 体中透过的参照用激光的电信号86的差，计算出的差分信号经A/D转 换器78转换成数字信号并被输出到分析装置(计算机)79中。分析装置79,根据从差分检测器77输入的差分信号和来自受光器 75的表示测量受光强度的电信号85,确定规定强度的测量用激光从气 体中透过时的吸收光语(被标准化的吸收光谱)。分析装置79将计算 出的吸收光谱与理论光谱进行比较、分析，从而测定气体的温度、压 力及包含在气体中的气体成分浓度。

发明内容
如图7所示的气体分析装置中，在作为测量区域的传感器部72处 被照射到废气中的测量用激光，由于废气对反射镜74的污染以及悬浮 在废气中的微粒引起的散射等，故如图8所示，例如在波长为？d时以 光强度Pl照射的测量用激光从废气中透过并被受光器75接受时，将 被衰减到光强度P2。测量用激光从废气中透过时被衰减的比例，根据 反射镜74的污染程度及悬浮在废气中的微粒状况而变化，并不固定。
因此，分析装置79根据来自差分^r测器77的差分信号和来自I/V 转换器80的测量受光强度信号这两个信号，计算出当一定光强度的测 量用激光从废气中透过时所得到的被标准化的吸收光谱。
因此，如图7所示的气体分析装置中，差分信号和受光强度信号 这两个信号被输入到信号分析装置79,使得输入到分析装置79的数字 形式的数据量较多。
可是，目前通常的测量系统中使用的信号转换基板所采用的PCI 总线的容量约为100MB/sec,而因为气体分析装置也使用这种通常的信 号转换基板，所以，进行lMHz以上的数据采样时，由于PCI总线的 容量使从A/D转换器78被输入到分析装置79的数字形式的数据量受 到限制。图7是在汽车的排气路径中的1个位置上对废气进行测定时的情 况说明，但是，由于通常是将废气净化装置安装在汽车的排气路径上， 并需要在其前后等处进行废气的测定，所以通常需要在排气路径的多
个位置上进行废气的测定。而且，随着气体成分不同，所吸收的激光 的波长不同，因而当增加作为测量对象的气体成分时，激光的波段也
将扩大。因此，由于在增加测量对象气体成分时，输入到分析装置79 的数据量也将增多，因此增加检测位置会受到限制。
本发明是鉴于上述情况而实施的，其目的是提供一种气体分析装 置，通过减少从传感器部输入到分析装置的信号数量，使输入到分析 装置的数据量降低，从而即使在多个位置设置传感器部，也能够实时 地测定多种气体成分的浓度。
本发明的气体分析方法为，利用分波器把激光分波成测量用激光 和参照用激光，使该测量用激光从气体中透过并用受光器接受，再根 据接受到的测量用激光的光强度和所述参照用激光的光强度确定被气 体中的气体成分所吸收的吸收光镨，通过分析该吸收光谱而测定气体 成分浓度，所述气体分析方法的特征在于，将所述测量用激光通过光 衰减器照射到气体中，并由所述光衰减器进行控制使从气体中透过的 测量用激光的光强度与所述参照用激光的光强度之间具有规定的关 系。
此外，本发明的气体分析装置为，具有分波器，用于把从激光 发射部发射的激光分波成测量用激光和参照用激光；照射部，用于将 所述测量用激光照射到气体中；测量光用受光部，用于接受从气体中 透过的测量用激光；参照光用受光部，用于接受参照用激光，所述气 体分析装置的特征在于，将所述测量用激光通过光衰减器照射到气体中，该光衰减器通过对其衰减率进行控制使由测量光用受光部接受到 的测量用激光的光强度与由参照光用受光部接受到的参照用激光的光 强度之间具有规定的关系。
本发明由于对光衰减器进行反馈控制以使由受光器接受到的测量 用激光的光强度与由受光器接受到的参照用激光的光强度之间具有规 定的关系，因此，由受光器接受到的测量用激光的光强度被控制为， 即使反射板的污染程度以及悬浮在气体中的微粒状况等发生变化，也 能一直与参照用激光的光强度具有规定的关系。因此，在本发明中， 由于能够从参照用激光的光强度求取从气体中透过的测量用激光的光 强度，不需要将测量用激光的光强度信号输入到分析装置，因而能够 减少输入到分析装置的数据量，使增加测定位置及所测定的气体成分 成为可能。
在本发明的优选方式中，其特征在于，利用分波器将测量用激光 分波成多束，并将通过分波而得到的多束测量用激光照射到不同位置 的气体中，从而测定多个位置的气体中的气体成分。
此外，本发明的气体分析方法为，利用分波器把不同波段的多束 激光分别分波成测量光和参照光，将各测量光从光衰减器通过之后再 进行合波而作为测量用激光，在将该测量用激光从气体中透过之后，
由波长分波器分波成所述波段的透射光；将各参照光进行合波并作为 参照用激光后，由波长分波器分波成所述波段的参照光；并且，从被 波长分波器分波的透射光的光强度和被波长分波器分波的参照光的光 强度，确定被气体中的气体成分所吸收的吸收光谱，通过分析该吸收 光谱而测定气体成分浓度，所述气体分析方法的特征在于，由所述光 衰减器进行控制使被所述波长分波器分波的透射光的光强度与同一波段的参照光的光强度之间具有规定的关系。
而且，本发明的气体分析装置包括多个激光发射部，用于发射 不同波段的激光；分波器，用于把不同波段的各个激光分波成测量光 和参照光；合波器，用于将不同波段的多个测量光进行合波而作为测 量用激光；合波器，用于将不同波段的多个参照光进行合波而作为参 照用激光；照射部，用于将所述测量用激光照射到气体中；波长分波 器，用于把从气体中透过的测量用激光分波成所述波段的透射光；波 长分波器，用于把所述参照用激光分波成所述波段的参照光，所述气 体分析装置的特征在于，所述各测量光从光衰减器中通过并在所述合 波器中被合波，该光衰减器通过对其衰减率进行控制使由波长分波器 分波的透射光的光强度与同一波段的参照光的光强度之间具有规定的 关系。
本发明利用分波器把不同波段的多束激光分别分波成测量光和参 照光，将各测量光从光衰减器通过之后再进行合波而作为测量用激光， 在将该测量用激光从气体中透过之后，由波长分波器分波成所述波段 的测量用激光，而且，由于将各参照光进行合波并作为参照用激光， 再由波长分波器分波成所述波段的参照光用激光，因此能够从被波长 分波器分波的测量用激光的光强度和被波长分波器分波的参照用激光 的光强度，确定被气体中的气体成分所吸收的吸收光谱，并通过分析 该吸收光语而测定气体成分浓度。此外，由于通过对其衰减率进行控 制使被波长分波器分波的透射光的光强度与同一波段的参照光的光强 度之间具有规定的关系，因而不需要再将被波长分波器分波的透射光 的光强度信号输入到分析装置中。因此，能够减少输送到分析装置的 数据量，从而能够在分析装置的PCI总线容量范围内，在多个位置上分析包含在废气中的多种气体成分并测量其浓度等。因此，本发明能
够一次求取氨(1530nm)、 一氧化碳(1560nm )、 二氧化》友(1570nm )、 甲烷(1680nm)、水(1350nm)等的浓度。
在本发明的优选方式中，其特征在于，通过进行时间分割，使发 射不同波段的激光的多个激光发射部分别在不同的时间发射，由此， 能够使发送到分析装置的数据量减少，并且不会混入不同波段的分析 数据，从而能够稳定地测定气体成分的浓度。
而且，在本发明的优选方式中，其特征在于，不同波段的各激光 是利用分波器将从多个激光发射部发射的不同波段的激光分成多束而 获得的，通过将多束测量用激光照射到不同位置的气体中，从而测定 多个位置的气体中的气体成分浓度。
本说明书包含记载于作为本申请的优先权基础的日本国专利申请 2006-226731号的说明书W或附图中的内容。


图1为表示第1实施方式的气体分析装置传感器部的主要结构的 分解立体图。
图2为包含实施方式中的激光振荡/受光控制器的主要结构及信号 分析装置的气体分析装置的结构框图。
图3为将本发明第2实施方式的气体分析装置安装于发动机座上 的实施方式的主要结构图。
图4为包含第2实施方式中的激光振荡/受光控制器的主要结构及 信号分析装置的气体分析装置的结构框图。图5为包含第3实施方式中的激光振荡/受光控制器的主要结构及
信号分析装置的气体分析装置的结构框图。
图6为包含第4实施方式中的激光振荡/受光控制器的主要结构及 信号分析装置的气体分析装置的结构框图。
图7为包含本申请人开发的气体分析装置中的激光振荡/受光控制 器的主要结构及信号分析装置的结构框图。
图8为用于对本发明中的吸收光谱进行说明的图表。
符号说明
10、 IOA、 IOB、 10C:传感器部，20:激光二才及管，
22、 22A、 22B、 22C:分波器，23、 24A、 24B、 24C:光衰减器，
25:受光器(检波器)，27、 27A、 27B、 27C:差分检测器，
28、 28A、 28B、 28C: A/D转换器，29:分析装置，
30: 1/V转换器，31:衰减器控制器，
33: NO用激光二极管，34:氧气用激光二极管，
35、 36:合波器，37、 38:波长分波器，
39: NO用受光器，40: NO用激光二极管，
41: NO参照光的受光器，42:氧气用受光器，
43:氧气用分波器，
51、 52、 53、 53A、 53B、 53C、 54:光纤，58: 1/V转换器
具体实施例方式
以下根据附图对本发明的气体分析方法及气体分析装置进行详细 说明。图1为表示本实施方式的气体分析装置传感器部的主要结构的
分解立体图，图2为表示包含激光振荡/受光控制器的主要结构及作为 信号分析装置的个人计算机的气体分析装置的整体结构的框图。
本发明的气体分析装置被构成为，包括传感器部10,设置在与 发动机相连的排气管4、 5的排气路径上；激光振荡/受光控制器6，发 射用于照射到废气中的激光，并输入来自接受激光的受光部的电信号； 分析装置7，其由个人计算机构成，根据透过废气并接受到的激光的受 光强度和未透过废气的激光的受光强度，分析包含在废气中的成分和 其浓度。
传感器部10如图1所示，具有由厚度在例如5 20mm左右的板材 所形成的传感器基座11，并在中心部形成有贯通孔12，该贯通孔12 的直径与排气管道部的内径大致相同。流动于排气通道中的废气从贯 通孔12中通过。为了不扰乱排气的流动，贯通孔12的形状优选为直 径与排气管道部的内径大致相同的圆形。作为板材可以使用金属板材 及陶瓷制板材，在材质上没有特别要求。在传感器基座ll上形成有从 外周面朝向贯通孔12贯通的两个传感器孔13、 14。在一侧的传感器孔 13上固定有收集激光的平行光管15,从而构成照射部，并且在该平行 光管15上连接有照射激光的光纤53;而在另一侧的传感器孔14上固 定有接受激光的光电二极管等受光器(检波器)25。
在传感器基座11上固定有隔着贯通孔12而对置的上下两块反射 板17、 17。两块反射斧反17、 17以平行状态净皮固定，并3皮构成为，使从照射侧的光纤53通过平行光管15而被收集并照射的激光，首先从下 方的反射板17向上方反射，接着再从上方的反射板17向下方反射， 通过在两块反射板17、 17之间交替反射，从而到达受光侧的受光器25。 由此，使激光在废气中的透过距离被设定得更长。
反射板17优选由不会因废气而发生老化的材料形成，在作为基座 的板材上形成金、铂等薄膜，并且在其上作为保护膜，优选形成有MgF2 或Si02的薄膜。而且，反射板17优选其反射率较高，以使其能够高效 地反射激光。此外，由于反射板17在发动机起动过程中被暴露在废气 中，并被污物附着，因此优选根据需要从凸缘部F、 F上卸下传感器基 座11并进行清洁。
传感器基座11以被凸缘部F、 F夹持的状态配置，在凸缘部F、 F 与传感器基座ll之间，通过未图示的螺栓、螺母等，以被夹持的状态 固定有垫圈9、 9。垫圏9由石棉等形成，并开有与排气管内径相同直 径的贯通孔。根据该构造，即使在凸缘部F、 F之间夹持传感器基座ll 并与排气路径连接，废气也不会中途泄漏，排气径路的长度增加也较少。
输入激光到传感器部10的光纤53，和在传感器部10处接受从废 气中透过的激光并输出电信号的受光器25连接在激光振荡/受光控制 器6。即，构成为，从激光振荡/受光控制器6中的后述的激光二极管 射出的激光先通过光纤53，再通过传感器基座11的传感器孔13,照 射到贯通孔12内，由反射板17、 17反射的激光从传感器孔14穿过并 在受光侧的受光器25处被接受，从受光器25输出的电信号通过电缆 62而被输入到激光振荡/受光控制器6中。激光振荡/受光控制器6为，用于发射激光，并输入来自接受激光 的受光部的电信号，再将差分信号转换成数字信号并输出到作为分析
装置29的计算机7中的构件，如图2所示，该激光振荡/受光控制器6 具有激光二极管20、分波器22、光衰减器23、 A/D转换器28、受 光器25、 26、差分检测器27、 1/V转换器30、衰减器控制装置31。
并且，由激光二极管20照射的激光通过光纤51而被导入到分波 器22，并被分波器22分波成参照用激光和测量用激光。通过分波而得 到的测量用激光通过光纤52而被导入到光衰减器23,并在衰减器23 被衰减后通过光纤53而被导入到传感器部10的照射部，再从照射部 照射到贯通孔12内。照射到贯通孔12内的激光乂人废气中透过之后， 被受光器25接受并被转换成电信号。
在本实施方式中，其构造为，如前文所述被分波器22分波的测量 用激光通过光衰减器23而被照射。该光衰减器23是用于调节照射到 废气中的测量用激光的光强度的构件，其可以采用适当形式的结构， 例如在激光的光路中设置能改变透过率的滤光器，通过改变透射光 量而调节光强度的结构；或者在光路中设置镜面，通过改变镜面的反 射角而调节光强度的结构等。该光衰减器23被衰减器控制装置31控 制其衰减率。
衰减器控制装置31为用于使从废气中透过的测量用激光的光强度 与参照用激光的光强度一致的构件，其被构成为，使受光器25的电信 号61在I/V转换器30进行I/V转换后再被输入。由于参照光从激光的 产生到接受为止没有干扰因素，且只要激光输出不变化参照光强度也 不会发生变化，因此由参照光用的受光器26接受的参照用激光的光强度是一定的，且该参照用激光的光强度被输入到衰减器控制装置31中。
衰减器控制装置31将参照用激光的光强度与测量用激光的光强度之差 作为反馈补偿量而输出到光衰减器23处。
光衰减器23根据由衰减器控制装置31输入的反馈补偿量，使测 量用激光衰减，将由受光器25接受的测量用激光的光强度调节为与由 受光器26接受的参照用激光的光强度相同。
通过该反馈控制，由受光器25接受的测量用激光被控制为，即使 反射板17的污染程度及悬浮在废气中的微粒状态等发生变化，也一直 保持一定的光强度。因此，在本实施方式中，不需要将测量用激光的 光强度信号输入到分析装置29，因而能减少输入到分析装置的数据量。
差分检测器27根据从废气中透过的测量用激光的电信号61和参 照用激光的电信号62计算出差分信号，该差分信号在例如未图示的前 置放大器被增幅，并通过A/D转换器28而被输入到分析装置29中。 分析装置29根据来自差分检测器27的差分信号，确定被废气中的气 体成分所吸收的吸收光谱，通过分析该吸收光谱而测定废气的成分浓 度以及废气的温度。
这里，气体成分浓度C由以下的公式(1)计算。
C= _ ln(I/I0)/kL................(1)
在该公式(1)中，I为透射光强度、Io为入射光强度、k为吸收率、 L为透射距离。因此，根据相对于入射光强度(Io)的透射光强度U) 的比值，即信号强度(1/1。)，可计算出气体成分的浓度C。在本实施方式 中，透射光强度I从接受测量用激光的受光器25输出，入射光强度10 从接受未从气体中透过的参照用激光的受光器26输出。以下，对于采用前文所述构造的本实施方式的气体分析方法进行
说明。由激光二极管20发射的激光通过光纤51到达分波器22，被分 波器22分波而得的参照光通过光纤54而成为参照用激光，并在受光 器26处被转换为电信号，且被作为入射光强度IQ而进行测量。
而且，被分波器22分波而得的测量光通过光衰减器23而成为测 量用激光，其通过光纤53而被导入到传感器部10的照射部，并被照 射到有废气通过的贯通孔12内。此时，由于光衰减器23被衰减器控 制装置31进行反馈控制，以使从废气中透过的测量用激光的光强度与 参照用激光的光强度相同，因此在受光器25接受的测量用激光被控制 为，即使反射板17的污染程度及悬浮在废气中的微粒状态等发生变化， 也一直保持一定的光强度。
此外，测量用激光重复在反射板17、 17之间的反射从而到达受光 器25。从废气中通过且衰减了的测量用激光在受光器25处作为透射光 强度I而被接受，并被转换为电信号且输入到差分检测器27。测量用 激光通过被反复反射，使得从废气中透过的距离增大，由于所述公式 (1 )的透过距离L变长将使衰减量变大，因此能够实现高精度的废气 成分浓度的测定。
在差分^r测器27计算出参照用激光与测量用激光之间的差，并将 差分信号输入到分析装置29中。分析装置29确定被废气中的气体成 分所吸收的吸收光谱，并计算出参照用激光的光强度与从废气中透过 而衰减的测量用激光的峰值波长的光强度之比(1/1()),从而计算出废气 中包含的气体成分浓度。
在本实施方式中，虽然测量用激光通过光衰減器，而参照用激光不通过光衰减器，但是如果将参照用激光在光衰减器中调节至规定的 光强度，则能够减轻后边的分析装置的处理负担。
图3、 4表示本发明的第2实施方式，图3为将气体分析装置安装 于发动机座上的实施方式的主要结构图，图4为表示包含激光振荡/受 光控制器的主要结构及信号分析部的气体分析装置的整体结构的框 图。本实施方式为，在排气路径的三个位置设置传感器部，并在各设 置位置上对废气中包含的气体成分及其浓度进行分析及测定，气体分 析装置被构成为，具有设置于排气路径中的三个位置上的多个传感器 部IOA、 IOB、 IOC。其中，第l传感器部IOA被设置在第l催化剂装 置8A和其上游侧的发动机2 —侧的排气管4之间，第2传感器部10B 被设置在第1催化剂装置8A的下游侧，第3传感器部10C设置在第2 催化剂装置8B的下游侧。
并且，分波器21是为了将由激光二极管20发射的激光导入到各 传感器部IOA、 IOB、 10C而进行分波的构件，被分波器21分波而得 到的激光通过光纤53A、 53B、 53C导入到分波器22A、 22B、 22C。被 光纤53A导入的激光在分波器22A处被分波为测量光和参照光，测量 光通过光衰减器23A成为测量用激光并在传感器部10A处纟皮照射到废 气中。参照光通过光衰减器24A并在受光器26A处被转换为电信号。 光衰减器24A、 24B、 24C用于将传感器部IOA、 IOB、 IOC中的参照 光调节至相同光强度，由此能够减少输入到分析装置29中的数据量。
而且，本实施方式的其他结构与图1、 2所示的实施方式的结构相同。
图3、 4所示的实施方式中，在排气路径的三个位置上设置传感器部10A、 IOB、 10C,由于只需将来自各设置位置上的差分检测器27A、 27B、 27C的差分信号转换成数字信号并发送到分析装置29中，即可 在排气路径的三个位置上求取废气中包含的气体成分及其浓度，因此， 能够将从A/D转换器28向分析装置29发送的数据量抑制在信号转换 线路板的PCI总线的容量范围内，从而增加测量点。
图5表示本发明的第3实施方式的气体分析装置，本实施方式为， 在排气路径的1个位置上设置传感器部并测定废气中包含的NO( —氧 化氮)和氧气(02)的浓度。
从气体中透过的激光的波长配合进行检测的气体成分而设定，例 如，适合于检测氧气(02)的波长为760nm，适合于检测氨气的波长 为1530nm，适合于检测一氧化碳的波长为1560nm,适合于检测一氧 化氮(NO)的波长为1796nm。
由于适合于检测氧气(02)的波长与适合于检测NO的波长之间 在长度上相差很大，因而不能通过1个激光二极管发射激光。
因此，激光振荡/受光控制器6具有发射用于测量NO浓度的激 光的NO用激光二极管33和发射用于测量氧气浓度的激光的氧气用激 光二极管34，并进行时间分割后，NO用激光二极管33与氧气用激 光二极管34分别发射激光。
由NO用激光二极管33发射的NO用激光在光纤被导入到NO分波器 122中，并被分波成NO测量光和NO参照光。将通过分波而得到的 NO测量光和NO参照光分别通过光衰减器123、 223,并导入到测量 用合波器35和参照用合波器36。
由氧气用激光二极管34发射的氧气用激光在光纤被导入到02分波器222中，并被分波成氧气测量光和氧气参照光。通过分波而得到 的氧气测量光和氧气参照光分別经过光衰减器323、 423，并导入到测 量用合波器35和参照用合波器36。
NO测量光和氧气测量光在测量用合波器35 ^皮合波成测量用激光， 并从传感器部IO的照射部照射到废气中，在从废气中透过时，特定波 长的激光被废气中的氧气和NO吸收之后，根据波长而被波长分波器 37分波成NO透射光和氧气透射光。NO透射光被NO用受光器39接 受并被转换成电信号的NO测量受光强度信号61A,而后被发送到差 分检测器27和I/V转换器130中；氧气透射光被氧气用受光器40接受 并被转换成电信号的氧气测量受光强度信号61B，而后纟皮发送到差分 检测器27和I/V转换器230中。
NO参照光和氧气参照光在参照光用合波器36被合波成参照光用 激光，并通过光纤被导入到波长分波器38中，且根据波长而被分波成 NO参照光和氧气参照光。NO参照光被受光器41接受并被转换成电 信号，而后被输入到差分检测器27中；氧气参照光被氧气用受光器42 接受并被转换成电信号，而后被输入到差分检测器27中。
控制NO测量光的光强度的衰减器控制装置131,根据被I/V转换 器130进行了 I/V转换的测量受光强度信号61A,而对光衰减器123 的衰减率进行反馈控制，以使NO透射光的光强度与NO参照光的光 强度相同。
此外，控制氧气测量光的光强度的衰减器控制装置231,根据被I/V 转换器230进行了 I/V转换的测量受光强度信号61B，而对光衰减器 323的衰减率进行反馈控制，以使氧气透射光的光强度与氧气参照光的光强度相同。
差分检测器27将从废气中透过的NO透射光的光强度与未从废气 中透过的NO参照光的光强度进行差分从而计算出NO差分信号，将 计算出的NO差分信号在A/D转换器28转换为数字信号并输出到分析 装置(计算机)29中。此外，差分检测器27将从废气中透过的氧气透 射光的光强度与未从废气中透过的氧气参照光的光强度进行差分从而 计算出氧气差分信号，将计算出的氧气差分信号在A/D转换器28转换 为数字信号并输出到分析装置(计算机)29中。
分析装置29根据从A/D转换器28输入的NO透射光与NO参照 光的差分信号，确定被废气中的NO所吸收的NO吸收光谱，通过分 析NO吸收光谱而求取NO浓度，此外，分析装置29根据从A/D转换 器28输入的氧气透射光与氧气参照光的差分信号，确定^L废气中的氧 气所吸收的氧气吸收光谱，通过分析氧气吸收光谱而求取氧气浓度。
在本实施方式中，由于衰减器控制装置131对衰减器123的衰减 率进行反馈控制，使NO透射光的光强度与被设定为规定光强度的NO 参照光的光强度相同，并使NO透射光被控制为一直保持在所设定的 规定(一定)的光强度上，因此，分析装置29能够根据差分信号确定 以规定光强度的激光照射时所能得到的，被规范化了的NO吸收光谱。
此外，由于衰减器控制装置231对衰减器223的衰减率进行反馈 控制，使氧气透射光的光强度与被设定为规定光强度的氧气参照光的 光强度相同，并使氧气测量透射光被控制为一直保持在所设定的规定 (一定)的光强度上，因此，分析装置29能够根据差分信号确定以规 定光强度的激光照射时所获得的，被规范化了的氧气吸收光i普。因此，由于不再需要将NO测量受光强度信号61A和氧气测量受 光强度信号61B输入到分析装置29中，因而能够减少从A/D转换器 28发送到分析装置29的数据量。
在本实施方式中，由于在从废气中透过后，由NO测量光和氧气 测量光合波而成的测量用激光在波长分波器37被分波成NO透射光和 氧气透射光，而且，由NO参照光和氧气参照光合波而成的参照用激 光在波长分波器38被分波成NO参照光和氧气参照光，因此，能够通 过反馈控制使NO透射光的光强度与NO参照光的光强度相同。
此外，本实施方式中，由于NO用激光二极管33和氧气用激光二 极管34,通过进行时间分割而分别发射各自的激光，因而能够进一步 减少输入到分析装置29中的数据量，并且不用担心NO测量用数据与 氧气测量用数据之间的相互混入。
而且，由于将氧气透射光和NO透射光在波长分波器37、 38进行 分波，并在受光器39、 40、 41、 42接受，从而能够选择适合于所接受 的激光波长的受光器，因此能够提高受光精度。
在上述说明中，虽然NO用激光二极管33和氧气用激光二极管34 为通过进行时间分割而分别发射各自的激光，但是也可以采用持续发 射的方式。
图6表示本发明的第4实施方式的气体分析装置，本实施方式为， 在排气路径的三个位置上设置传感器部10A、 10B、 10C，并对废气中 包含的NO ( —氧化氮)和02 (氧气)的浓度进行测定。
本实施方式为，NO用分波器122将由NO用激光二极管33发射 的激光分波成6束，并作为NO测量光和NO参照光而输送到各自的测量位置上，此外，氧气用分波器222将由氧气用激光二极管34发射 的激光分波成6束，并作为氧气测量光和氧气参照光而输送到各自的 测量位置上。对在NO用分波器122处通过分波而得到的NO参照光 进行衰减的光衰减器323A、 323B、 323C，其分别对衰减率进行设定， 使各自的NO参照光具有相同的光强度。并且，对在氧气用分波器222 通过分波而得到的氧气参照光进行衰减的光衰减器423A、423B、423C, 其分别对衰减率进行设定，使各自的氧气参照光具有相同的光强度， 由此，分析装置29的处理负担被减轻。
在本实施方式中，虽然在排气路径的三个位置上设置传感器部 10A、 10B、 10C，从而对废气中包含的NO (—氧化氮)和02 (氧气) 的浓度进行测定，但是因为输入到分析装置29中的信号只需来自差分 检测器27A、 27B、 27C的三个即可，所以能够在信号转换基板的PCI 总线的容量范围内增加测量位置。
以上对本发明的实施方式进行了详细说明，但是，本发明并不限 定于所述的实施方式，在不脱离本发明权利要求范围所记载的本发明 精神的范围内，可以进行各种设计变更。
虽然在所述实施方式中，通过衰减器控制装置对光衰减器进行反 馈控制，以使从废气中透过的测量用激光的光强度与参照用激光的光 强度相同，但是，并不是必须使从废气中透过的测量用激光与参照用 激光的光强度相同。只要通过光衰减器对从气体中透过的测量用激光 的光强度进行控制使其与参照用激光的光强度之间具有规定的关系， 就能够在分析装置29中使从气体中透过的测量用激光的光强度与所述 参照用激光的光强度相同。例如，如果对从气体中透过的测量用激光 的光强度进行控制使其为参照用激光的光强度的P倍，则在分析装置29中，通过将参照用激光的光强度设为原来的P倍，即可使从气体中 透过的测量用激光与参照用激光的光强度相同。
此外，虽然在上述实施方式中，本发明的气体分析装置是在汽车 的排气管中设置传感器部10并对从发动机排出的废气的气体成分进行 分析，但是，本发明并不限定于汽车的排气管，只要是流动于管道等 中的气体，通过在该管道中设置传感器部10,即可对流动于管道内的 气体成分进行实时分析。
工业利用性
本发明由于将测量用激光从光衰减器中通过而照射到气体中，并 通过所述光衰减器进行控制使从气体中透过的测量用激光的光强度与 参照用激光的光强度之间具有规定的关系，因而不需要将从气体中透 过的测量用激光的光强度的数据输入到分析装置中。因此，能够减少 输入到分析装置中的数据量，该分析装置用于根据从气体中透过的测 量用激光和未从气体中透过的参照用激光而对气体中所包含的气体成 分进行分析，从而，能够在多个位置上对气体中包含的多种气体成分 浓度实时地进行分析及测定。
本说明书中引用的全部出版物、专利及专利申请直接作为参考而 引入本说明书。
权利要求
1、一种气体分析方法，利用分波器把激光分波成测量用激光和参照用激光，使该测量用激光从气体中透过并用受光器接受，再根据接受到的测量用激光的光强度和所述参照用激光的光强度确定被气体中的气体成分所吸收的吸收光谱，通过分析该吸收光谱而测定气体成分浓度，所述气体分析方法的特征在于，将所述测量用激光通过光衰减器照射到气体中，并由所述光衰减器进行控制使实际从气体中透过的测量用激光的光强度与所述参照用激光的光强度之间具有规定的关系。
2、 如权利要求1所述的气体分析方法，其特征在于，利用分波器将所述测量用激光分波成多束，并将通过分波而得到 的多束测量用激光照射到不同位置的气体中，从而测定多个位置的气 体中的气体成分浓度。
3、 如权利要求1或2所述的气体分析方法，其特征在于， 所述参照用激光通过光衰减器而被设定为规定的光强度。
4、 一种气体分析方法，利用分波器把不同波段的多束激光分别分 波成测量光和参照光，将各测量光从光衰减器通过之后再进行合波而 作为测量用激光，在将该测量用激光从气体中透过之后，由波长分波 器分波成所述波段的透射光；将各参照光进行合波并作为参照用激光 后，由波长分波器分波成所述波段的参照光；并且，从被波长分波器 分波的透射光的光强度和被波长分波器分波的参照光的光强度，确定被气体中的气体成分所吸收的吸收光谱，通过分析该吸收光谱而测定 气体成分浓度，所述气体分析方法的特征在于，由所述光衰减器进行控制使被所述波长分波器分波的透射光的光 强度与同 一波段的参照光的光强度之间具有规定的关系。
5、 如权利要求4所述的气体分析方法，其特征在于，通过进行时间分割，使所述不同波段的多束激光分别在不同的时 间发射。
6、 如权利要求4或5所述的气体分析方法，其特征在于，所述不同波段的多束激光是用分波器对由不同的激光二极管发射 的激光分波成多束而获得的，通过将合波后的所述测量用激光照射到 不同位置的气体中，从而测定多个位置上的气体成分浓度。
7、 一种气体分析装置，包括分波器，用于把从激光发射部发射 的激光分波成测量用激光和参照用激光；照射部，用于将所述测量用 激光照射到气体中；测量光用受光部，用于接受从气体中透过的测量 用激光；参照光用受光部，用于接受参照用激光；所述气体分析装置，根据所述测量光用受光部接受到的测量用激 光的光强度和参照光用受光部接受到的参照用激光的光强度，确定被 气体中的气体成分所吸收的吸收光谱，并通过分析该吸收光i普而测定 气体成分浓度，所述气体分析装置的特征在于，所述测量用激光从光衰减器通过并由照射部照射，该光衰减器通 过对其衰减率进行控制使由测量光用受光部接受到的测量用激光的光 强度与由参照光用受光部接受到的参照用激光的光强度之间具有规定 的关系。
8、 如权利要求7所述的气体分析装置，其特征在于，利用分波器把所述测量用激光分波成多束，并将通过分波而得到 的多束测量用激光照射到不同位置的气体中，从而测定多个位置的气 体中的气体成分浓度。
9、 如权利要求7或8所述的气体分析装置，其特征在于，所述参 照用激光通过光衰减器而被设定为规定的光强度。
10、 一种气体分析装置，包括多个激光发射部，用于发射不同 波段的激光；分波器，用于把不同波段的各个激光分波成测量光和参 照光；合波器，用于将不同波段的多个测量光进行合波而作为测量用 激光；合波器，用于将不同波段的多个参照光进行合波而作为参照用 激光；照射部，用于将所述测量用激光照射到气体中；波长分波器， 用于把从气体中透过的测量用激光分波成所述波段的透射光；波长分 波器，用于把所述参照用激光分波成所述波段的参照光，所述气体分析装置，从被所述波长分波器分波的透射光的光强度 和被所述波长分波器分波的参照光的光强度，确定被气体中的气体成 分所吸收的吸收光语，通过分析该吸收光谱而测定气体成分浓度，所述气体分析装置的特征在于，所述各测量光从光衰减器中通过并在所述合波器中被合波，该光衰减器通过对其衰减率进行控制使由波长分波器分波的透射光的光强 度与同一波段的参照光的光强度之间具有规定的关系。
11、 如权利要求IO所述的气体分析装置，其特征在于，通过进行时间分割，使发射所述不同波段的激光的多个激光发射 部分别在不同的时间发射。
12、 如权利要求10或11所述的气体分析装置，其特征在于，所述不同波段的各激光是利用分波器将从多个激光发射部发射的 不同波^R的激光分成多束而获得的，通过将多束测量用激光照射到不 同位置的气体中，从而测定多个位置的气体中的气体成分浓度。
全文摘要
本发明以提供一种气体分析装置为目的，通过减少从传感器部输入到分析装置中的信号数并减少被传输到分析装置中的数据量，从而降低被输入到分析装置中的数据量，并通过在多个位置上设置传感器单元，从而能够实时地测定多个位置上的气体中的气体成分浓度。本发明的气体分析方法为，利用分波器(22)将激光分波成测量用激光和参照用激光，使该测量用激光从气体中透过并利用受光器(25)接受，再根据接受到的测量用激光的光强度和所述参照用激光的光强度确定被气体中的气体成分所吸收的吸收光谱，通过分析该吸收光谱而测定气体成分浓度的气体分析方法，在本方法中，将所述测量用激光从光衰减器(23)中通过并照射到气体中，通过对所述光衰减器进行控制从而使从气体中透过的测量用激光的光强度与所述参照用激光的光强度之间具有规定的关系。
文档编号G01N21/35GK101506646SQ20078003038
公开日2009年8月12日 申请日期2007年8月23日 优先权日2006年8月23日
发明者出口祥启, 后藤胜利, 山荫正裕, 浅海慎一郎, 深田圣, 牟田研二 申请人:丰田自动车株式会社;三菱重工业株式会社