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JP4842582B2 - Gas analyzer - Google Patents
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JP4842582B2 - Gas analyzer - Google Patents

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Description

本発明は、ガスの温度・濃度・化学種等を測定により求めることでガス分析を行なうガス分析装置に関する。   The present invention relates to a gas analyzer that performs gas analysis by determining the temperature, concentration, chemical species, etc. of a gas by measurement.

一般に、流路中を流れるガス中に光を照射し、ガス中を透過した光を検出することで、ガスの成分を測定するガス分析計が用いられており、この種のガス分析装置として、例えば特許文献1に記載のインラインガス分析計が知られている。このようなガス分析計は、ガスが流れる配管の管壁に二つの光透過性窓を対向またはほぼ対向するように形成し、これらの窓にそれぞれ一部を光透過部として残して配管内部に面する光反射面を形成し、一方の窓の光透過部の外方に光源およびカセグレン鏡を備えた光源部を、前記光源を出た光がカセグレン鏡を経て一方の窓の光透過部に対して斜め入射するように設けている。さらに、他方の窓の光透過部の外方に複数の波長の光を検出するための検出器部を設け、光源部を出た光が一方の窓の光透過部から配管内に入り、その後、二つの窓の光反射面間において複数回反射した後、他方の窓の光透過部を経て検出器部に入射するようにしている。このようなガス分析計を用いることで、ガスの温度・濃度・化学種等を測定することができ、その結果、ガスの成分等を分析することができる。   In general, a gas analyzer that measures the components of a gas by irradiating the gas flowing in the flow path with light and detecting the light transmitted through the gas is used. As this type of gas analyzer, For example, an in-line gas analyzer described in Patent Document 1 is known. In such a gas analyzer, two light-transmitting windows are formed so as to face or almost face each other on the pipe wall of the pipe through which the gas flows, and a part of each of these windows is left as a light-transmitting portion inside the pipe. A light-reflecting surface is formed, and a light source part including a light source and a Cassegrain mirror is provided outside the light transmission part of one window, and the light emitted from the light source passes through the Cassegrain mirror and enters the light transmission part of one window. On the other hand, it is provided so as to enter obliquely. Furthermore, a detector unit for detecting light of a plurality of wavelengths is provided outside the light transmission part of the other window, and the light exiting the light source part enters the pipe from the light transmission part of one window, and then After being reflected a plurality of times between the light reflecting surfaces of the two windows, the light is incident on the detector part via the light transmitting part of the other window. By using such a gas analyzer, the temperature, concentration, chemical species, etc. of the gas can be measured, and as a result, the components of the gas can be analyzed.

前述のような分析対象となるガスとしては、前記特許文献1に記載のような半導体製造時に用いられるインラインガスや自動車等の内燃機関から排出される排ガス、工場から排出される排ガス等が挙げられる。   Examples of the gas to be analyzed as described above include in-line gas used during semiconductor manufacturing as described in Patent Document 1, exhaust gas discharged from an internal combustion engine such as an automobile, exhaust gas discharged from a factory, and the like. .

特開2004−53405号公報JP 2004-53405 A

ところで、前記特許文献1に記載のガス分析装置は、光源を出た光が二つの窓の光反射面間において複数回反射して、検出器部に入射するように構成されているため、測定用の光が反射する際に散乱光が発生しやすく、発生した散乱光が乱反射して測定光とともに光検出器部に入射するおそれがあった。この結果、排気ガス中を透過した測定光に散乱光がノイズとして入り込み、測定精度が低下してしまうという問題点があった。   Incidentally, the gas analyzer described in Patent Document 1 is configured so that light emitted from the light source is reflected a plurality of times between the light reflecting surfaces of the two windows and is incident on the detector unit. Scattered light is likely to be generated when the light for reflection is reflected, and the generated scattered light may be diffusely reflected and incident on the light detector portion together with the measurement light. As a result, there is a problem in that the scattered light enters as noise in the measurement light transmitted through the exhaust gas and the measurement accuracy is lowered.

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、分析対象のガス中を透過させる測定用のレーザ光が乱反射や散乱をしても、測定光に散乱光が混入することを防止して測定精度を高めることができるガス分析装置を提供することにある。すなわち、ガス中を透過するレーザ光が受光される際に、何らかの要因で発生した散乱光が測定光とともに受光部に入光するのを防止して、測定精度を高めることができるガス分析装置を提供することにある。   The present invention has been made in view of such problems, and the object of the present invention is to provide measurement light even if the measurement laser light transmitted through the gas to be analyzed is irregularly reflected or scattered. An object of the present invention is to provide a gas analyzer capable of preventing measurement of scattered light and improving measurement accuracy. That is, when a laser beam that passes through a gas is received, a gas analyzer that can prevent the scattered light generated for some reason from entering the light receiving unit together with the measurement light and improve the measurement accuracy. It is to provide.

前記目的を達成すべく、本発明に係るガス分析装置は、分析対象のガスにレーザ光を照射し、該ガス中を透過したレーザ光に基づいて前記ガスの成分濃度や温度を測定して分析するガス分析装置であって、このガス分析装置は、測定されるガスが流れる経路に固定されるセンサ部を備えており、このセンサ部は、センサベースと、前記センサベースに形成されたガスが流れるガス通過孔と、前記センサベースに固定されたレーザ光を照射する照射部および照射されたレーザ光を受光する受光部と、前記照射部から照射されたレーザ光が前記ガス通過孔を通って前記受光部に到達することができるように照射部側に形成された照射光通過孔と受光部側に形成された透過光通過孔とを備えており、前記照射光通過孔および透過光通過孔のうち少なくとも透過光通過孔の周面には、前記レーザ光が入射する角度と異なる入射角度で前記照射光通過孔または透過光通過孔に入射する散乱光を受光部に到達させないための散乱光排除手段が講じられていることを特徴としている。   In order to achieve the above object, a gas analyzer according to the present invention irradiates a gas to be analyzed with laser light, and measures and analyzes the component concentration and temperature of the gas based on the laser light transmitted through the gas. The gas analyzer includes a sensor unit fixed to a path through which a gas to be measured flows, and the sensor unit includes a sensor base and a gas formed on the sensor base. A flowing gas passage hole, an irradiation unit for irradiating a laser beam fixed to the sensor base, a light receiving unit for receiving the irradiated laser beam, and a laser beam irradiated from the irradiation unit through the gas passage hole An irradiation light passage hole formed on the irradiation unit side and a transmission light passage hole formed on the light reception unit side so as to reach the light reception unit, the irradiation light passage hole and the transmission light passage hole; Less than Scattered light exclusion means for preventing scattered light incident on the irradiation light passing hole or the transmitted light passing hole at an incident angle different from the angle at which the laser light is incident on the peripheral surface of the transmitted light passing hole. Is characterized by being taken.

前記のごとく構成された本発明のガス分析装置は、レーザ光発生手段から発生されたレーザ光は、散乱光排除手段が講じられた照射光通過孔からガスが通過しているガス通過孔内に照射され、ガス中を透過した透過レーザ光は散乱光排除手段が講じられた透過光通過孔を通して受光部に到達する。このため、測定用のレーザ光の散乱光の受光部への到達が防止され、散乱光が受光部で受光されないため、ガス中を透過したレーザ光に散乱光が混入することがなくなり、ガス成分の濃度や温度等を精度良く測定でき、ガス分析の精度向上を達成できる。なお、照射光通過孔の内周面にも、散乱光排除手段が講じられると好ましい。   In the gas analyzing apparatus of the present invention configured as described above, the laser light generated from the laser light generating means passes into the gas passage hole through which the gas passes from the irradiation light passage hole provided with the scattered light exclusion means. The transmitted laser light that has been irradiated and transmitted through the gas reaches the light receiving section through the transmitted light passage hole provided with the scattered light exclusion means. For this reason, the scattered light of the measurement laser light is prevented from reaching the light receiving portion, and the scattered light is not received by the light receiving portion, so that the scattered light is not mixed into the laser light transmitted through the gas, and the gas component The concentration, temperature, etc. of the gas can be measured with high accuracy, and the accuracy of gas analysis can be improved. In addition, it is preferable that a scattered light exclusion unit is also provided on the inner peripheral surface of the irradiation light passage hole.

他の態様として、前記センサ部は、センサベース内におけるガス通過孔外に、照射部が照射したレーザ光を反射して受光部に導光するための反射部材を備え、センサベースには、レーザ光を反射部材に到達させるための光通過孔が形成されており、光通過孔の内周面には、レーザ光が入射する角度と異なる入射角度で光通過孔に進入する散乱光を受光部に到達させないための散乱光排除手段が講じられていることを特徴としている。このように構成されたガス分析装置は、レーザ光のガス中の透過距離を大きくするべくレーザ光を反射させ、反射の際に発生する散乱光を光通過孔の散乱光排除手段で受光部に到達させないようにするため、測定用のレーザ光に散乱光が混入せず、測定精度を向上させることができる。   As another aspect, the sensor unit includes a reflecting member for reflecting the laser light emitted from the irradiation unit and guiding the laser beam to the light receiving unit outside the gas passage hole in the sensor base. A light passage hole for allowing the light to reach the reflecting member is formed, and the inner peripheral surface of the light passage hole receives scattered light that enters the light passage hole at an incident angle different from the incident angle of the laser light. The present invention is characterized in that a means for eliminating scattered light is provided so as to prevent the light from reaching. The gas analyzer configured in this manner reflects the laser beam so as to increase the transmission distance of the laser beam in the gas, and the scattered light generated at the reflection is reflected to the light receiving unit by the scattered light exclusion means of the light passage hole. In order not to make it reach | attain, scattered light is not mixed in the laser beam for a measurement, and a measurement precision can be improved.

前記散乱光排除手段は、入射する散乱光を入射方向と反対の方向に反射させる反射面を含むことが好ましく、この反射面は照射光通過孔、透過光通過孔および光通過孔の内周面に形成されためねじ面を含むことが好ましい。この構成によれば、本来、測定用のレーザ光が入射する角度と異なる角度で散乱光が入射すると、めねじ面を含む散乱光排除手段で散乱光を入射方向と反対方向に反射させて受光部に到達させないため、受光部に散乱光が到達せず測定精度を高めることができる。反射面を形成するめねじ面は、レーザ光が通過する照射光通過孔や透過光通過孔、光通過孔の貫通部分に、めねじを形成するタップを通して加工することにより、容易に反射面を形成することができる。めねじ面はスパイラル状に傾斜面が連続しており、通過している測定用のレーザ光以外の散乱光は傾斜面に当たり反対方向に反射されるため、測定用のレーザ光にノイズとして混じることを防止できる。   The scattered light exclusion means preferably includes a reflecting surface that reflects incident scattered light in a direction opposite to the incident direction, and the reflecting surface is an irradiation light passage hole, a transmitted light passage hole, and an inner peripheral surface of the light passage hole. It is preferable to include a threaded surface. According to this configuration, when scattered light is incident at an angle different from the angle at which the measurement laser light is incident, the scattered light is reflected by the scattered light exclusion means including the female thread surface in the direction opposite to the incident direction. Therefore, the scattered light does not reach the light receiving portion, and the measurement accuracy can be improved. The internal thread surface that forms the reflective surface can be easily formed by processing through the tap that forms the internal thread in the irradiation light passing hole, the transmitted light passing hole, and the light passing hole through which the laser light passes. can do. The female thread surface has a spiral inclined surface, and the scattered light other than the measurement laser light that passes through it strikes the inclined surface and is reflected in the opposite direction, so it is mixed with the measurement laser light as noise. Can be prevented.

また、前記散乱光排除手段は、前記照射光通過孔、透過光通過孔および光通過孔の内周面に粗面加工したときに形成される粗面であることが好ましい。この構成によれば、照射光通過孔、透過光通過孔および光通過孔の内周面に形成された粗面により、散乱光が入射しても粗面により反射されて減衰し受光部に到達できないため、受光されたレーザ光に散乱光が混入せず、測定精度を高めることができる。   Moreover, it is preferable that the said scattered light exclusion means is a rough surface formed when roughing the inner peripheral surface of the said irradiation light passage hole, the transmitted light passage hole, and the light passage hole. According to this configuration, the rough surface formed on the irradiation light passage hole, the transmitted light passage hole, and the inner peripheral surface of the light passage hole is reflected by the rough surface even if scattered light is attenuated and reaches the light receiving unit. Since this is not possible, scattered light is not mixed in the received laser light, and the measurement accuracy can be improved.

前記光通過孔は、ガス通過孔側を大径とし反射部材側を小径とする先細孔として形成されていることが好ましい。この構成によれば、反射面に近接する先細孔は孔径が小径につぼめられ、入射側のガス通過孔に近接する孔径は大径で入射しやすく形成されているため、反射による散乱光を効果的に受光部に到達させず、ノイズを大幅に削減することができ、測定精度を向上させることができる。   The light passage hole is preferably formed as a leading hole having a large diameter on the gas passage hole side and a small diameter on the reflecting member side. According to this configuration, the tip pore close to the reflecting surface is narrowed to a small diameter, and the diameter close to the gas passage hole on the incident side is large and easy to enter. Therefore, the noise can be greatly reduced without reaching the light receiving unit, and the measurement accuracy can be improved.

前記ガス通過孔は、前記経路の断面形状と実質的に同じ断面形状であることが好ましい。すなわち、ガスが流れる経路の断面形状は通常、パイプのように円形であることが多く、ガス通過孔の形状をパイプの直径とほぼ等しい円形にすることが好ましい。このように構成すると、ガスが流れる経路中でガス分析のためにセンサ部を固定しても、ガス流れの乱れを防止することができ、ガス流れのロスが増えることを防止することができる。特に、ガスが流れる経路中に多数のセンサ部を設置するときに好適である。   The gas passage hole preferably has substantially the same cross-sectional shape as the cross-sectional shape of the path. That is, the cross-sectional shape of the path through which the gas flows is usually a circle like a pipe, and it is preferable that the shape of the gas passage hole is a circle substantially equal to the diameter of the pipe. If comprised in this way, even if a sensor part is fixed for the gas analysis in the path | route through which gas flows, disorder of gas flow can be prevented and it can prevent that the loss of gas flow increases. In particular, it is suitable when a large number of sensor units are installed in a gas flow path.

前記センサ部は、前記経路中の複数個所に設置されることが好ましい。このように構成すると、ガスが流れる経路中の複数個所でガスの成分の濃度や温度を測定することができ、経路中のガスの成分の濃度変化等をリアルタイムで容易に測定して分析することができる。しかも、センサ部はレーザ光の照射部と、ガス中を透過したレーザ光の受光部とを備えるため、容易に設置することができる。   The sensor units are preferably installed at a plurality of locations in the route. With this configuration, it is possible to measure the concentration and temperature of gas components at multiple points in the gas flow path, and easily measure and analyze changes in the concentration of gas components in the path in real time. Can do. In addition, since the sensor unit includes a laser beam irradiation unit and a laser beam receiver that has passed through the gas, the sensor unit can be easily installed.

前記センサ部は、センサベースに反射部材を加熱するヒータを備えることが好ましい。特に、反射部材に近接して設置するとより好ましく、ヒータの設定温度は分析対象のガス中の含まれる水分の結露を防止する温度に設定すると好ましい。この構成によれば、ガス中に含まれる水分が反射部材の表面で結露するのを防止でき、レーザ光の反射率が向上し測定精度を高めることができる。また、内燃機関から排出される排ガスを分析する場合、内燃機関の始動前にヒータに通電して予熱しておくと、高温の排ガスによるミラー等の反射部材への熱ショックを低減でき、破損等を防止できると共に、表面と裏面との温度変化による変形を防止できる。   It is preferable that the sensor unit includes a heater for heating the reflecting member on the sensor base. In particular, it is more preferable to install in the vicinity of the reflecting member, and the set temperature of the heater is preferably set to a temperature that prevents condensation of moisture contained in the gas to be analyzed. According to this configuration, it is possible to prevent moisture contained in the gas from condensing on the surface of the reflecting member, thereby improving the reflectance of the laser beam and increasing the measurement accuracy. Also, when analyzing the exhaust gas discharged from the internal combustion engine, if the heater is energized and preheated before starting the internal combustion engine, the heat shock to the reflecting member such as the mirror due to the high temperature exhaust gas can be reduced, and the damage etc. Can be prevented, and deformation due to temperature change between the front surface and the back surface can be prevented.

また、本発明のガス分析装置は、前記分析対象のガスが、内燃機関から排出される排ガスであり、内燃機関に接続される排ガス流路を前記経路としたことを特徴としている。この構成によれば、内燃機関から排出される排ガスの、排気経路中を流れる状態をリアルタイムで分析できるため、内燃機関の性能の確認や試験等を行なう際に有用である。   In the gas analyzer of the present invention, the gas to be analyzed is exhaust gas discharged from an internal combustion engine, and an exhaust gas flow path connected to the internal combustion engine is used as the path. According to this configuration, it is possible to analyze in real time the state of the exhaust gas discharged from the internal combustion engine through the exhaust passage, which is useful when checking the performance or testing of the internal combustion engine.

本発明のガス分析装置は、測定用レーザ光をガスが流通しているガス通過孔内に照射し、ガスを透過したレーザ光を受光するとき、散乱光の影響を殆ど受けないため、ガス成分の濃度の測定や温度の測定の精度を高めることができる。また、測定に際し、基準ガスや補助ガスを必要とせず、大掛かりな設備が不要であり、低コストで分析することができる。   Since the gas analyzer of the present invention irradiates the measurement laser beam into the gas passage hole through which the gas flows and receives the laser beam that has passed through the gas, it is hardly affected by the scattered light. It is possible to improve the accuracy of the concentration measurement and temperature measurement. In addition, no reference gas or auxiliary gas is required for the measurement, no large-scale equipment is required, and analysis can be performed at low cost.

以下、本発明に係るガス分析装置を自動車の排ガス分析装置に用いた一実施形態を図面に基づき詳細に説明する。図1は、本実施形態に係る排ガス分析装置を自動車に搭載した要部構成図、図2は、図1の排ガス分析装置をエンジンベンチに搭載した状態の要部構成図、図3は、センサ部の要部の分解した状態の斜視図を含む排ガス分析装置の要部構成図、図4は、図3のセンサ部の詳細を示す一部を破断した正面図と、A−A線断面図、B−B線断面図およびC−C線要部断面図、図5は、レーザ発振・受光コントローラの要部構成および信号解析装置を含む排ガス分析装置の全体構成を示すブロック図である。   Hereinafter, an embodiment in which a gas analyzer according to the present invention is used in an automobile exhaust gas analyzer will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a main part configuration diagram in which the exhaust gas analyzer according to the present embodiment is mounted on an automobile, FIG. 2 is a main part configuration diagram in a state in which the exhaust gas analyzer in FIG. 1 is mounted on an engine bench, and FIG. FIG. 4 is a front view showing a detail of the sensor unit in FIG. 3 and a cross-sectional view taken along line AA. FIG. 5 is a block diagram showing an overall configuration of an exhaust gas analyzer including a main configuration of a laser oscillation / light receiving controller and a signal analyzer.

図1〜5において、本実施形態の排ガス分析装置は、分析対象ガスとして、自動車1に設置されたエンジン(内燃機関)2から排出される排ガスを分析する装置である。また、図2に示すように、エンジンベンチ1Aに設置されたエンジン2の排ガスを分析する装置である。エンジン2の各気筒から排出される排ガスは、エキゾーストマニホルド3で合流され、排気管4を通して第1触媒装置5に導入され、さらに第2触媒装置6に導入され、そのあとマフラー7を通して排気パイプ8から大気中に放出される。排ガスが流れる流路(経路)を構成する排気経路は、エキゾーストマニホルド3、排気管4、第1触媒装置5、第2触媒装置6、マフラー7、排気パイプ8から構成され、エンジン2から排出された排ガスを2つの触媒装置5,6で浄化し、マフラー7により消音、減圧して大気中に放出する。なお、マフラーはメインマフラーとサブマフラーの2つを有するものでもよい。   1-5, the exhaust gas analyzer of this embodiment is an apparatus which analyzes the exhaust gas discharged | emitted from the engine (internal combustion engine) 2 installed in the motor vehicle 1 as analysis object gas. Moreover, as shown in FIG. 2, it is an apparatus which analyzes the exhaust gas of the engine 2 installed in the engine bench 1A. The exhaust gas discharged from each cylinder of the engine 2 is merged in the exhaust manifold 3, introduced into the first catalyst device 5 through the exhaust pipe 4, further introduced into the second catalyst device 6, and then through the muffler 7 to the exhaust pipe 8. From the atmosphere. The exhaust path constituting the flow path (path) through which the exhaust gas flows is composed of the exhaust manifold 3, the exhaust pipe 4, the first catalyst device 5, the second catalyst device 6, the muffler 7, and the exhaust pipe 8, and is exhausted from the engine 2. The exhaust gas is purified by the two catalyst devices 5 and 6, muffled by the muffler 7, depressurized and released into the atmosphere. The muffler may have two main mufflers and sub mufflers.

排気経路を構成する複数の部材は、フランジ部同士を対接させてボルト等で接続されている。例えば、第1、第2触媒装置5,6は大径の本体部の上流、下流側に排気パイプ部が連結され、これらの排気パイプ部の端部にフランジ部F,Fが溶接等により固着されている。また、マフラー7は大径の本体部の上流、下流側に排気パイプ部が連結され、これらの排気パイプ部の端部にフランジ部F,Fが固着されている。なお、末端の排気パイプ8はマフラー7に直接溶接等により固着されている。このように、排気経路を構成する複数の部材はフランジ部により接続され、排ガスが通過する断面形状が直径dの円形に形成されている。   The plurality of members constituting the exhaust path are connected by bolts or the like with the flange portions in contact with each other. For example, the first and second catalytic devices 5 and 6 have exhaust pipe portions connected upstream and downstream of the large-diameter main body portion, and flange portions F and F are fixed to the end portions of these exhaust pipe portions by welding or the like. Has been. The muffler 7 has exhaust pipes connected to the upstream and downstream sides of the large-diameter main body, and flanges F and F are fixed to the ends of the exhaust pipes. The exhaust pipe 8 at the end is fixed directly to the muffler 7 by welding or the like. In this way, the plurality of members constituting the exhaust path are connected by the flange portion, and the cross-sectional shape through which the exhaust gas passes is formed in a circle having a diameter d.

本実施形態の排ガス分析装置10は、前記の排気経路の複数個所に設置された複数のセンサ部11〜14を備えて構成される。第1のセンサ部11は第1触媒装置5より上流側のエンジン側の排気管4との間に設置され、第2のセンサ部12は第1触媒装置5の下流側に設置され、第3のセンサ部13は第2触媒装置6の下流側に設置されている。そして、第4のセンサ部14はマフラー7の下流の排気パイプ8に設置されている。センサ部14は排気パイプの途中に設置されても、排気パイプの末端の開口部に挿入して設置するものでもよい。第1のセンサ部11の上流側の、エキゾーストマニホルド3で合流する前の1気筒毎の排気管にセンサ部を設置してもよい。   The exhaust gas analyzer 10 of the present embodiment includes a plurality of sensor units 11 to 14 installed at a plurality of locations in the exhaust path. The first sensor unit 11 is installed between the exhaust pipe 4 on the engine side upstream of the first catalyst device 5, the second sensor unit 12 is installed on the downstream side of the first catalyst device 5, and the third The sensor unit 13 is installed on the downstream side of the second catalyst device 6. The fourth sensor unit 14 is installed in the exhaust pipe 8 downstream of the muffler 7. The sensor unit 14 may be installed in the middle of the exhaust pipe or may be installed by being inserted into the opening at the end of the exhaust pipe. You may install a sensor part in the exhaust pipe for every cylinder of the upstream of the 1st sensor part 11 before merging with the exhaust manifold 3.

排気管4や第1触媒装置5、第2触媒装置6、マフラー7はフランジ部F,Fをボルトで締め付けることで連結されており、排気経路を構成する部材の間に設置されるセンサ部11,12,13は、フランジ部F,Fで挟まれた状態で設置されている。フランジ部F,Fは、排気経路を構成する部材の両端部に形成され、フランジ部同士の接合面は排気経路の中心線に対して直角に交差している。この結果、センサ部11〜13はフランジ部F,Fに挟まれて排気経路を横切るように設置される。第4のセンサ部14は排ガスが大気中に放出される直前の分析を行なうものであり、マフラー7から突出する排気パイプ8の中間部にフランジ部F,Fで挟んで設置してもよい。なお、センサ部の設置数は任意に設定すればよい。   The exhaust pipe 4, the first catalyst device 5, the second catalyst device 6, and the muffler 7 are connected by tightening the flange portions F and F with bolts, and the sensor portion 11 is installed between members constituting the exhaust path. , 12 and 13 are installed in a state of being sandwiched between the flange portions F and F. The flange portions F and F are formed at both end portions of the member constituting the exhaust path, and the joint surfaces of the flange portions intersect at right angles to the center line of the exhaust path. As a result, the sensor parts 11 to 13 are installed so as to cross the exhaust path between the flange parts F and F. The fourth sensor unit 14 performs analysis immediately before the exhaust gas is released into the atmosphere, and may be installed between the flanges F and F in the middle portion of the exhaust pipe 8 protruding from the muffler 7. In addition, what is necessary is just to set the number of installation of a sensor part arbitrarily.

各センサ部11〜14は同一構成であり、1つのセンサ部11について図3,4を参照して説明する。センサ部11は矩形状の薄板材から形成されたセンサベース20を有し、このセンサベースは中心部に排気パイプ部の円形断面の内径dと同じ直径dの排ガス通過孔21が形成されており、排ガス通過孔内を排ガスが通過する。板状のセンサベース20の厚さはレーザ光の照射部と受光部とを固定できる範囲で、できるだけ薄いことが好ましい。具体的にはセンサベース20の厚さは、例えば5〜20mm程度が好適である。20mmを超えると排ガス流れに乱れが生じやすく、5mmより薄いと測定用のレーザ光の照射部や、排ガス中を透過したレーザ光の受光部の取付固定が煩雑となる。また、排気経路の任意の個所に必要に応じて容易に設置できる。なお、センサベース20の厚さは任意に設定できる。   Each sensor part 11-14 is the same structure, and demonstrates the one sensor part 11 with reference to FIG. The sensor unit 11 has a sensor base 20 formed of a rectangular thin plate material, and an exhaust gas passage hole 21 having the same diameter d as the inner diameter d of the circular cross section of the exhaust pipe portion is formed at the center of the sensor base. The exhaust gas passes through the exhaust gas passage hole. The thickness of the plate-like sensor base 20 is preferably as thin as possible within a range in which the laser beam irradiation part and the light receiving part can be fixed. Specifically, the thickness of the sensor base 20 is preferably about 5 to 20 mm, for example. If it exceeds 20 mm, the flow of the exhaust gas tends to be disturbed, and if it is thinner than 5 mm, the mounting and fixing of the measurement laser light irradiation part and the light receiving part of the laser light transmitted through the exhaust gas become complicated. Moreover, it can be easily installed as required at any location in the exhaust path. The thickness of the sensor base 20 can be arbitrarily set.

このように、センサベース20に形成された排ガス通過孔21の形状は、排ガス流れを乱さないように排気パイプ部の内径と同じ直径の円形に形成され、しかもセンサベース20は薄く形成されている。このため、排気経路中にセンサ部11〜14を取付けても排ガス流れを乱すことがなく、圧力損失が少なく円滑に排気させることができる。排ガス通過孔21の形状は、例えば直径が30mmの場合、30±1〜2mm程度であれば排ガス流れの乱れが起きにくいので、このような範囲に設定されると好ましい。この程度の範囲が実質的に同じ断面形状として好ましい範囲である。センサベース20を構成する板材としては金属板材やセラミック製の板材を用いているが、材質については特に問わない。   Thus, the shape of the exhaust gas passage hole 21 formed in the sensor base 20 is formed in a circle having the same diameter as the inner diameter of the exhaust pipe portion so as not to disturb the exhaust gas flow, and the sensor base 20 is formed thin. . For this reason, even if the sensor units 11 to 14 are installed in the exhaust path, the exhaust gas flow is not disturbed, and the exhaust can be performed smoothly with little pressure loss. For example, when the diameter of the exhaust gas passage hole 21 is about 30 ± 1 to 2 mm when the diameter is 30 mm, the disturbance of the exhaust gas flow is unlikely to occur. This range is a preferable range as substantially the same cross-sectional shape. As the plate material constituting the sensor base 20, a metal plate material or a ceramic plate material is used, but the material is not particularly limited.

センサベース20はフランジ部F,Fに挟まれた状態で固定され、フランジ部F,Fとセンサベース20との間にはガスケット22,22が挟まれた状態で図示していないボルト、ナット等により固定される。ガスケット22は石綿等で形成され、排気管の内径と同じ直径の排ガス通過孔が開けられている。この構成により、フランジ部F,Fの間にセンサベース20を挟んで排気経路を接続しても、排ガスが途中で漏れることはなく、排気経路の長さの増加も少ない。図3は、排気管4の下流端に溶接されたフランジ部Fと、触媒装置5の上流側の排気パイプ部5aの端部に溶接されたフランジ部Fとの間に、ガスケット22,22を挟んでセンサベース20が固定される構成を示している。   The sensor base 20 is fixed in a state of being sandwiched between the flange portions F and F, and a bolt, a nut, etc., not shown in the state of having the gaskets 22 and 22 sandwiched between the flange portions F and F and the sensor base 20. It is fixed by. The gasket 22 is made of asbestos or the like, and has an exhaust gas passage hole having the same diameter as the inner diameter of the exhaust pipe. With this configuration, even if the exhaust path is connected with the sensor base 20 sandwiched between the flange portions F and F, the exhaust gas does not leak in the middle, and the increase in the length of the exhaust path is small. FIG. 3 shows gaskets 22, 22 between a flange portion F welded to the downstream end of the exhaust pipe 4 and a flange portion F welded to the end of the exhaust pipe portion 5 a on the upstream side of the catalyst device 5. A configuration is shown in which the sensor base 20 is fixed by being sandwiched.

センサベース20には、板厚の中央を端面から排ガス通過孔に向けて貫通する2つのセンサ孔23,24が形成されている。センサ孔23は排ガス通過孔21に向けて開口しており、照射されたレーザ光が排ガス通過孔21を通して受光部に到達できるように形成された照射光通過孔を構成している。また、センサ孔24は排ガス通過孔21に向けて開口しており、レーザ光が受光部に到達できるように形成された透過光通過孔を構成しており、センサ孔23,24は排ガスの流れる方向と直交して開口している。   The sensor base 20 is formed with two sensor holes 23 and 24 that penetrate the center of the plate thickness from the end surface toward the exhaust gas passage hole. The sensor hole 23 opens toward the exhaust gas passage hole 21 and constitutes an irradiation light passage hole formed so that the irradiated laser light can reach the light receiving part through the exhaust gas passage hole 21. The sensor hole 24 opens toward the exhaust gas passage hole 21 and constitutes a transmitted light passage hole formed so that the laser beam can reach the light receiving portion. The sensor holes 23 and 24 flow through the exhaust gas. The opening is perpendicular to the direction.

センサ部11はレーザ光を照射する照射部として光ファイバ25Aがセンサ孔23に固定され、光ファイバ25Aから照射され排ガス通過孔21内に存在する排ガス中を透過したレーザ光を受光する受光部として、ディテクタ26Aがセンサ孔24に固定されている。すなわち、センサ部11は、照射側の光ファイバ25Aから排気経路を横切るように照射されたレーザ光が、2つのミラー30,31で反射され、排ガス中を透過して減衰し、ディテクタ26Aで受光される構成となっており、ミラーは照射されたレーザ光を反射してディテクタに導光している。   The sensor unit 11 is a light receiving unit that receives an optical fiber 25A as an irradiating unit that irradiates a laser beam, is fixed to the sensor hole 23, and receives the laser beam irradiated from the optical fiber 25A and transmitted through the exhaust gas passing through the exhaust gas passing hole 21. The detector 26 </ b> A is fixed to the sensor hole 24. That is, the sensor unit 11 reflects the laser beam irradiated from the irradiation side optical fiber 25A so as to cross the exhaust path, is reflected by the two mirrors 30 and 31, is attenuated through the exhaust gas, and is received by the detector 26A. The mirror reflects the irradiated laser light and guides it to the detector.

センサ孔23は排ガス通過孔21と照射部である光ファイバ25とを連通させ、光ファイバから照射される測定用レーザ光が通過する照射光通過孔を構成する。また、センサ孔24は排ガス通過孔21と受光部であるディテクタ26とを連通させ、排ガス中を透過したレーザ光が通過してディテクタ26に到達する透過光通過孔を構成する。そして、センサ孔23,24の内周面には、レーザ光が入射する角度と異なる入射角度で、散乱光がこれらのセンサ孔に入射するとき、散乱光を受光部に到達させないための散乱光排除手段としてめねじ面23a,24aが形成されている。センサ孔23,24に形成されためねじ面のうち、少なくとの受光側のめねじ面24aがあれば、ディテクタ26で受光される散乱光を大幅に除去することができる。   The sensor hole 23 communicates the exhaust gas passage hole 21 and the optical fiber 25 that is an irradiating portion, and constitutes an irradiation light passage hole through which the measurement laser light emitted from the optical fiber passes. Further, the sensor hole 24 communicates the exhaust gas passage hole 21 and the detector 26 which is a light receiving portion, and constitutes a transmitted light passage hole through which the laser light transmitted through the exhaust gas passes and reaches the detector 26. The scattered light for preventing the scattered light from reaching the light receiving portion when the scattered light is incident on the inner peripheral surfaces of the sensor holes 23 and 24 at an incident angle different from the incident angle of the laser light. Female thread surfaces 23a and 24a are formed as exclusion means. If there is at least a female threaded surface 24a on the light receiving side among the threaded surfaces formed in the sensor holes 23, 24, the scattered light received by the detector 26 can be largely removed.

めねじ面としては、センサ孔の直径が5mm程度のときは5mmのメートルねじが好ましく、直径に合わせてねじ切りすることが好ましい。このようにセンサ孔の内周面をねじ切りしてめねじ面とすることで、センサ孔内を通過する散乱光はめねじ面23a,24aのスパイラル状に連続する傾斜面に当たり、レーザ光の入射された方向と反対方向に反射されるため、主要な測定用レーザ光と共に散乱光がセンサ孔を通過することはなくなる。このため、測定用のレーザ光に散乱光が混じることを防止できる。   The female thread surface is preferably a 5 mm metric thread when the diameter of the sensor hole is about 5 mm, and is preferably threaded to match the diameter. Thus, by threading the inner peripheral surface of the sensor hole into a female screw surface, the scattered light passing through the sensor hole hits the inclined surface of the female screw surfaces 23a and 24a that is continuous in a spiral shape, and laser light is incident thereon. Therefore, the scattered light does not pass through the sensor hole together with the main measurement laser light. For this reason, it is possible to prevent the scattered light from being mixed with the laser beam for measurement.

2つのミラー30,31は、図4に詳細に示すようにセンサベース20の中心部の円形の排ガス通過孔21外に、排ガス通過孔を挟持する対向位置において各々取り付けられており、ミラーの反射面が互いに平行となるようにして2枚配置され、測定用のレーザ光を反射させるように上下に設置固定される。すなわち、ミラー30,31は排ガス通過孔21外で、排ガス通過孔を挟んで対向して平行状態に配置されている。ミラー30,31は排ガス通過孔21の外周側に平行に形成された2つの挿入溝32,33内に着脱可能に固定されており、光ファイバ25Aから排ガス通過孔21に向けて照射されたレーザ光をディテクタ26Aに到達させる機能を有している。ミラー30,31は厚さが数mm程度の長方形状の基板状に形成され、基板の一方の面に金やプラチナの薄膜が反射面として形成され、その上に保護層として、MgFやSiOの薄膜が形成されている。なお、保護膜は形成しなくてもよい。 As shown in detail in FIG. 4, the two mirrors 30 and 31 are attached to the outside of the circular exhaust gas passage hole 21 at the center of the sensor base 20 at opposing positions sandwiching the exhaust gas passage hole. Two sheets are arranged so that the surfaces are parallel to each other, and are fixed vertically so as to reflect the laser beam for measurement. That is, the mirrors 30 and 31 are arranged outside and parallel to the exhaust gas passage hole 21 with the exhaust gas passage hole interposed therebetween. The mirrors 30 and 31 are detachably fixed in two insertion grooves 32 and 33 formed in parallel to the outer peripheral side of the exhaust gas passage hole 21, and are irradiated to the exhaust gas passage hole 21 from the optical fiber 25 </ b> A. It has a function of causing light to reach the detector 26A. The mirrors 30 and 31 are formed in the shape of a rectangular substrate having a thickness of about several millimeters. A thin film of gold or platinum is formed as a reflective surface on one surface of the substrate, and MgF 2 or SiO 2 is used as a protective layer thereon. Two thin films are formed. Note that the protective film may not be formed.

また、ミラー30,31の表面に光触媒層を形成してもよい。光触媒層は、例えば二酸化チタン(TiO)の薄膜が好ましい。光触媒層は塗布、あるいはコーティングによってミラーの表面に薄膜として形成されている。光触媒層が二酸化チタンの場合、この薄膜は紫外光等の光触媒用の光線を吸収して活性化し、表面に付着した汚れを浮上らせ、浮上った汚れは排ガス流れにより流されて排気経路から外部に排出されるように機能する。このように、ミラーの表面に光触媒層を形成すると、ミラーの表面を清浄化できて好ましい。 Further, a photocatalytic layer may be formed on the surfaces of the mirrors 30 and 31. The photocatalyst layer is preferably a thin film of, for example, titanium dioxide (TiO 2 ). The photocatalyst layer is formed as a thin film on the surface of the mirror by coating or coating. When the photocatalyst layer is titanium dioxide, this thin film absorbs and activates photocatalyst rays such as ultraviolet light, and the dirt adhering to the surface floats up. It functions to be discharged to the outside. Thus, it is preferable to form a photocatalyst layer on the surface of the mirror because the surface of the mirror can be cleaned.

センサベース20の排ガス通過孔21の外周に形成された挿入溝32,33は、ミラー30,31が緩く挿入できる程度の大きさに設定されている。挿入溝32,33はセンサベース20を貫通して両面側に開口しても、あるいは片面側に開口して他面側が閉塞している形状でもよい。ミラー30,31は挿入溝32,33内で取付ビス36によりスペーサ37を介して固定されている。ミラーが熱ショック等により破損した場合は、取付ビス36を緩めることで取り外して新しいミラーを固定することができる。また、ミラーが汚れたときに、センサベース20から取り外して清掃することもできる。   The insertion grooves 32 and 33 formed on the outer periphery of the exhaust gas passage hole 21 of the sensor base 20 are set to a size that allows the mirrors 30 and 31 to be inserted loosely. The insertion grooves 32 and 33 may penetrate the sensor base 20 and be opened on both sides, or may be formed on one side and closed on the other side. The mirrors 30 and 31 are fixed in the insertion grooves 32 and 33 by spacers 37 with mounting screws 36. If the mirror is damaged by heat shock or the like, it can be removed by loosening the mounting screw 36 to fix the new mirror. Further, when the mirror becomes dirty, it can be removed from the sensor base 20 and cleaned.

ミラー30,31は取付ビス36によりスペーサ37を介して固定されているため、エンジンの振動や排気管等の排気経路の振動でミラーが振動することを防止している。ミラーと取付ビスとの熱膨張の差を吸収するためスペーサ37が挟まれており、緩衝材として機能している。スペーサとしては耐環境性に優れ、弾性変形するものが好ましい。例えば、雲母系やカーボン系、銅等の板材が好ましい。このように、スペーサを介して取付ビスで固定することにより、800℃程度の高温状態でも振動することなく、安定して固定することができる。   Since the mirrors 30 and 31 are fixed by the mounting screws 36 via the spacers 37, the mirrors are prevented from vibrating due to vibrations of the engine or exhaust passages such as exhaust pipes. A spacer 37 is sandwiched to absorb the difference in thermal expansion between the mirror and the mounting screw, and functions as a cushioning material. As the spacer, those excellent in environmental resistance and elastically deforming are preferable. For example, a mica-based, carbon-based, or copper plate material is preferable. Thus, by fixing with the mounting screw via the spacer, it can be stably fixed without vibration even at a high temperature of about 800 ° C.

ミラー30,31は石英、若しくはサファイア、セラミック等の母材の表面に反射材をコーティングして作製する。コーティング材としては、金や酸化チタン等のレーザ波長に合った反射率の高いものを選択することが好ましい。また、反射材を保護するコーティングとしてSiO等の透明で耐熱性に優れ、耐環境性に優れたものを最上面に形成することが好ましい。耐熱性に優れ、反射率の高いミラーを用いることで精度良い測定が可能となる。また、反射材として酸化チタンを用いるときは、酸化チタンが単独で耐環境性に優れ、光触媒として汚れ防止に有効であるため保護膜を形成する必要がなく、そのままの状態で測定することが好ましい。 The mirrors 30 and 31 are manufactured by coating a reflecting material on the surface of a base material such as quartz, sapphire, or ceramic. As the coating material, it is preferable to select a material having a high reflectance suitable for the laser wavelength, such as gold or titanium oxide. Further, it is preferable to form a transparent coating such as SiO 2 having excellent heat resistance and excellent environmental resistance on the uppermost surface as a coating for protecting the reflecting material. By using a mirror having excellent heat resistance and high reflectivity, accurate measurement can be performed. Further, when titanium oxide is used as a reflective material, it is preferable to measure the titanium oxide as it is because it is excellent in environmental resistance and effective as a photocatalyst for preventing contamination. .

排ガス通過孔21の内周面とミラーを固定する挿入溝32,33との間には、測定用のレーザ光がミラーに到達できるように光通過孔が形成されている。光通過孔としては貫通するスリットや、貫通する光通過孔等が形成される。本実施形態では、排気経路に直交する方向に直径が数mm程度の光通過孔38,38…が排ガス通過孔21の内周面から挿入溝32,33まで貫通して形成され、光通過孔は排ガス通過孔21の内周面とミラー30,31とを貫通している。この構成により、測定用の赤外レーザ光が照射部である光ファイバ25から排ガス通過孔21内に照射されると下方の光通過孔38を通して下方のミラー31に到達し、下方のミラーで上方に反射され、次いで上方の光通過孔38を通して上方のミラー30に到達し、上方のミラーで下方に反射され、上下で反射を繰返したあと上方に固定されたディテクタ26に受光される構成となっている。   A light passage hole is formed between the inner peripheral surface of the exhaust gas passage hole 21 and the insertion grooves 32 and 33 for fixing the mirror so that the laser beam for measurement can reach the mirror. As the light passage hole, a penetrating slit, a penetrating light passage hole, or the like is formed. In the present embodiment, light passage holes 38, 38... Having a diameter of about several millimeters are formed so as to penetrate from the inner peripheral surface of the exhaust gas passage hole 21 to the insertion grooves 32, 33 in the direction orthogonal to the exhaust path. Passes through the inner peripheral surface of the exhaust gas passage hole 21 and the mirrors 30 and 31. With this configuration, when the measurement infrared laser light is irradiated into the exhaust gas passage hole 21 from the optical fiber 25 that is the irradiation unit, the measurement light reaches the lower mirror 31 through the lower light passage hole 38 and is Then, the light reaches the upper mirror 30 through the upper light passage hole 38, is reflected downward by the upper mirror, and is reflected by the upper and lower detectors 26 after being repeatedly reflected up and down. ing.

センサベース20に形成された光通過孔38の内周面には、これらの光通過孔にレーザ光が入射する角度と異なる入射角度で、散乱光がこれらの光通過孔に入射するとき、散乱光を受光部に到達させないための散乱光排除手段として、めねじ38a…が形成されている。このめねじは、貫通孔にタップを通すことで容易に形成することができる。したがって、光ファイバ25Aから照射されたレーザ光は、めねじ38aが形成された光通過孔38を通してミラー30,31に到達することができる構成となっている。   When the scattered light is incident on the inner peripheral surface of the light passage hole 38 formed in the sensor base 20 at an incident angle different from the angle at which the laser light enters the light passage hole, Female screws 38a... Are formed as scattered light exclusion means for preventing light from reaching the light receiving section. This female thread can be easily formed by passing a tap through the through hole. Accordingly, the laser light emitted from the optical fiber 25A can reach the mirrors 30 and 31 through the light passage hole 38 in which the female screw 38a is formed.

光ファイバ25Aおよびディテクタ26Aはレーザ発振・受光コントローラ40に接続され、レーザ発振・受光コントローラ40から出射される赤外レーザ光が光ファイバ25Aを通してセンサベース20の排ガス通過孔21内に照射され、排ガス中を透過した赤外レーザ光が受光側のディテクタ26Aで受光され、信号線28Aを介してレーザ発振・受光コントローラ40に入力される構成となっている。光ファイバ25Aから照射された発光強度と、排ガス中を透過してディテクタ26Aで受光された受光強度等が、分析装置であるパーソナルコンピュータ55に供給される。このように、排ガス分析装置10は、複数のセンサ部11〜14と、レーザ発振・受光コントローラ40と、パーソナルコンピュータ55とを備えて構成される。   The optical fiber 25A and the detector 26A are connected to the laser oscillation / light reception controller 40, and infrared laser light emitted from the laser oscillation / light reception controller 40 is irradiated into the exhaust gas passage hole 21 of the sensor base 20 through the optical fiber 25A. The infrared laser beam transmitted therethrough is received by the detector 26A on the light receiving side, and is input to the laser oscillation / light receiving controller 40 via the signal line 28A. The intensity of light emitted from the optical fiber 25A, the intensity of light received through the exhaust gas and received by the detector 26A, and the like are supplied to a personal computer 55 as an analyzer. As described above, the exhaust gas analyzer 10 includes the plurality of sensor units 11 to 14, the laser oscillation / light reception controller 40, and the personal computer 55.

ここで、レーザ発振・受光コントローラ40について、図5を参照して説明する。レーザ発振・受光コントローラ40は、複数の波長の赤外レーザ光を照射する照射装置として、複数のレーザダイオードLD1〜LD5に、図示していないファンクションジェネレータ等の信号発生器から複数の周波数の信号を供給し、レーザダイオードLD1〜LD5は各周波数に対応してそれぞれ複数の波長の赤外レーザ光を照射する。レーザ発振・受光コントローラ40の信号発生器から出力される複数の周波数の信号がレーザダイオードLD1〜LD5に供給されて発光し、例えばLD1は波長が1300〜1330nm程度、LD2は1330〜1360nmというように、検出しようとする成分ガスのピーク波長が存在する波長帯が連続するような波長帯の赤外レーザ光を発生させるように設定されている。   Here, the laser oscillation / light reception controller 40 will be described with reference to FIG. The laser oscillation / light reception controller 40 is an irradiation device for irradiating infrared laser beams having a plurality of wavelengths, and receives signals having a plurality of frequencies from a signal generator such as a function generator (not shown) to the plurality of laser diodes LD1 to LD5. The laser diodes LD1 to LD5 irradiate infrared laser beams having a plurality of wavelengths corresponding to the respective frequencies. A plurality of frequency signals output from the signal generator of the laser oscillation / light reception controller 40 are supplied to the laser diodes LD1 to LD5 to emit light. For example, LD1 has a wavelength of about 1300 to 1330 nm and LD2 has a wavelength of 1330 to 1360 nm. The infrared laser beam having a wavelength band in which the wavelength band in which the peak wavelength of the component gas to be detected exists is continuous is set.

排ガス中を透過させる赤外レーザ光の波長は、検出する排ガスの成分に合わせて設定され、一酸化炭素(CO)、二酸化炭素(CO)、アンモニア(NH)、メタン(CH)、水(HO)を検出する場合は、5つの波長の赤外レーザ光を使用する。例えば、アンモニアを検出するのに適した波長は1530nmであり、一酸化炭素を検出するのに適した波長は1560nmであり、二酸化炭素を検出するのに適した波長は1570nmである。また、メタンを検出するのに適した波長は1680nmであり、水を検出するのに適した波長は1350nmである。さらに、他の排ガスの成分の濃度を検出する場合は、排ガス成分の数に合わせて異なる波長の赤外レーザ光を使用する。なお、ガス濃度の検出は、同じ成分でも異なる波長である場合があり、異なる波長の中から選択して用いるようにしてもよい。 The wavelength of the infrared laser beam that passes through the exhaust gas is set in accordance with the component of the exhaust gas to be detected. Carbon monoxide (CO), carbon dioxide (CO 2 ), ammonia (NH 3 ), methane (CH 4 ), When detecting water (H 2 O), infrared laser beams having five wavelengths are used. For example, the wavelength suitable for detecting ammonia is 1530 nm, the wavelength suitable for detecting carbon monoxide is 1560 nm, and the wavelength suitable for detecting carbon dioxide is 1570 nm. The wavelength suitable for detecting methane is 1680 nm, and the wavelength suitable for detecting water is 1350 nm. Furthermore, when detecting the concentration of other exhaust gas components, infrared laser beams having different wavelengths are used in accordance with the number of exhaust gas components. Note that the gas concentration may be detected at different wavelengths even for the same component, and may be selected from different wavelengths.

各レーザダイオードLD1〜LD5から照射された赤外レーザ光は光ファイバ42…により分波器43…に導光され、センサ部の数に合わせて分波器43…により分波される。図5では3つのセンサ部11〜13に合わせて各レーザダイオードLD1〜LD5から照射されたレーザ光は3つに分波される。そして分波器43…で分波されたレーザ光は、分波器44A…、44B…、44C…により信号光と測定光に分けられる。分波器44A…はセンサ部11用であり、分波器44B…はセンサ部12用、分波器44C…はセンサ部13用である。センサ部11用の5つの分波器44A…で分けられた信号光は光ファイバを通して合波器45Aで合波され、合波された複数の波長帯の信号光は光ファイバ47Aを通して後述する差分型光検出器50Aに導光される。一方、5つの分波器44A…で分けられた測定光は光ファイバを通して合波器46Aで合波され、光ファイバ25Aによりセンサ部11の照射部に導光される。   The infrared laser light emitted from each of the laser diodes LD1 to LD5 is guided to the duplexers 43 through the optical fibers 42 and is demultiplexed by the duplexers 43 according to the number of sensor units. In FIG. 5, the laser beams emitted from the laser diodes LD1 to LD5 in accordance with the three sensor units 11 to 13 are divided into three. The laser beams demultiplexed by the demultiplexers 43 are separated into signal light and measurement light by the demultiplexers 44A, 44B, 44C. The duplexers 44A are for the sensor unit 11, the duplexers 44B are for the sensor unit 12, and the duplexers 44C are for the sensor unit 13. The signal light divided by the five demultiplexers 44A for the sensor unit 11 is multiplexed by the multiplexer 45A through the optical fiber, and the combined signal light in a plurality of wavelength bands is the difference which will be described later through the optical fiber 47A. The light is guided to the mold photodetector 50A. On the other hand, the measurement light divided by the five demultiplexers 44A is multiplexed by the multiplexer 46A through the optical fiber and guided to the irradiating part of the sensor unit 11 by the optical fiber 25A.

また、分波器43…で分波された赤外レーザ光は、センサ部12用の5つの分波器44B…により信号光と測定光に分けられ、信号光は合波器45Bで複数の波長帯を合波した信号光となり、光ファイバ47Bを通して差分型光検出器50Bに導光される。5つの分波器44B…により分けられた測定光は合波器46Bで合波され、光ファイバ25Bによりセンサ部12の照射部に導光される。さらに、分波器43…で分波された赤外レーザ光は、センサ部13用の5つの分波器44C…により信号光と測定光に分けられ、信号光は合波器45Cで複数の波長帯の信号光となり、光ファイバ47Cを通して差分型光検出器50Cに導光される。5つの分波器44C…により分けられた測定光は合波器46Cで合波され、光ファイバ25Cによりセンサ部13の照射部に導光される。   Further, the infrared laser light demultiplexed by the demultiplexers 43 is divided into signal light and measurement light by the five demultiplexers 44B for the sensor unit 12, and the signal light is divided into a plurality of signals by the multiplexer 45B. The signal light is obtained by combining the wavelength bands, and is guided to the differential photodetector 50B through the optical fiber 47B. The measurement light divided by the five demultiplexers 44B is multiplexed by the multiplexer 46B and guided to the irradiation part of the sensor unit 12 by the optical fiber 25B. Further, the infrared laser light demultiplexed by the demultiplexers 43 is divided into signal light and measurement light by the five demultiplexers 44C for the sensor unit 13, and the signal light is divided into a plurality of signals by the multiplexer 45C. It becomes signal light in the wavelength band and is guided to the differential photodetector 50C through the optical fiber 47C. The measurement light divided by the five demultiplexers 44C is multiplexed by the multiplexer 46C and guided to the irradiation unit of the sensor unit 13 by the optical fiber 25C.

図5では、3つのセンサ部11〜13を示しているが、さらに多くのセンサ部14…を設置する場合は、分波器43でさらに多くのレーザ光に分波し、分波したレーザ光をさらに多くの分波器44…で測定光と信号光に分波し、信号用のレーザ光を合波器45…で合波してから差分型光検出器50…に導光すると共に、測定用のレーザ光を合波器46…で合波してから、さらに多くのセンサ部14…に導光する。   In FIG. 5, three sensor units 11 to 13 are shown. However, when more sensor units 14... Are installed, the demultiplexer 43 demultiplexes into more laser beams, and the demultiplexed laser beams. Are further divided into measurement light and signal light by a number of demultiplexers 44..., The signal laser light is multiplexed by a multiplexer 45, and then guided to a differential photodetector 50. Laser light for measurement is multiplexed by the multiplexers 46, and then guided to a larger number of sensor units 14.

本実施形態の排ガス分析装置10は、測定用の赤外レーザ光をミラー30,31で反射させ排ガス中の透過距離を大きくするように構成されており、ミラー30,31で繰り返し反射された測定用のレーザ光がディテクタで受光される構成となっている。センサ部11〜13の受光部に接続された受光側のディテクタ26A,26B,26Cはレーザ発振・受光コントローラ40の差分型光検出器50A,50B,50Cに信号線28A,28B,28Cを介して接続される。また、合波器45A,45B,45Cで合波された信号光は光ファイバ47A,47B,47Cを通して差分型光検出器50A,50B,50Cに導光される。   The exhaust gas analyzer 10 of the present embodiment is configured to reflect the infrared laser light for measurement by the mirrors 30 and 31 so as to increase the transmission distance in the exhaust gas, and the measurement repeatedly reflected by the mirrors 30 and 31 is performed. The laser beam for use is received by the detector. The detectors 26A, 26B, and 26C on the light receiving side connected to the light receiving units of the sensor units 11 to 13 are connected to the differential photodetectors 50A, 50B, and 50C of the laser oscillation / light receiving controller 40 via signal lines 28A, 28B, and 28C. Connected. The signal light combined by the multiplexers 45A, 45B, and 45C is guided to the differential photodetectors 50A, 50B, and 50C through the optical fibers 47A, 47B, and 47C.

3つの差分型光検出器50A,50B,50Cでは、排ガス中を透過して減衰した透過レーザ光と、排ガス中を透過していない信号レーザ光との差を取る構成となっている。信号レーザ光はフォトダイオード等に入力され、電気信号に変換される。差分型光検出器で算出された信号光と測定光の差分に相当する電気信号は、例えば図示していないプリアンプで増幅され、A/D変換器を介して信号解析装置であるパーソナルコンピュータ55に入力される。パーソナルコンピュータ55では、入力された信号から排ガスの成分の濃度や、排ガスの温度を算出して排ガスを分析する。   The three differential photodetectors 50A, 50B, and 50C are configured to take a difference between the transmitted laser light that has been transmitted and attenuated through the exhaust gas and the signal laser light that has not been transmitted through the exhaust gas. The signal laser light is input to a photodiode or the like and converted into an electric signal. An electrical signal corresponding to the difference between the signal light and the measurement light calculated by the differential photodetector is amplified by, for example, a preamplifier (not shown) and is passed through an A / D converter to a personal computer 55 that is a signal analysis device. Entered. The personal computer 55 analyzes the exhaust gas by calculating the concentration of the exhaust gas component and the temperature of the exhaust gas from the input signal.

本発明の排ガス分析装置10は、例えば赤外レーザ光を排ガス中に透過させ、入射光の強度と排ガス中を透過したあとの透過光の強度に基づいて排ガスの成分の濃度を算出し、排ガスを分析するものである。すなわち、排ガスの成分の濃度Cは、以下の数式(1)から算出される。   The exhaust gas analyzer 10 of the present invention transmits, for example, infrared laser light into exhaust gas, calculates the concentration of exhaust gas components based on the intensity of incident light and the intensity of transmitted light after passing through the exhaust gas, Is to analyze. That is, the concentration C of the exhaust gas component is calculated from the following formula (1).

C=−ln(I/I)/kL…(1) C = −ln (I / I 0 ) / kL (1)

この数式(1)において、Iは透過光強度、Iは入射光強度、kは吸収率、Lは透過距離である。したがって、信号光である入射光強度(I)に対する透過光強度(I)の比、シグナル強度(I/I)に基づいて排ガスの成分の濃度Cは算出される。透過光強度Iは、ディテクタ26A,26B,26Cを通して出力され、入射光強度Iは、光ファイバ47A,47B,47Cを通して差分型光検出器50A,50B,50C内のフォトダイオード等の光電変換器から出力される。本実施形態では入射光強度Iとして、排ガス中を透過しない信号光強度を用いている。 In Equation (1), I is the transmitted light intensity, I 0 is the incident light intensity, k is the absorptance, and L is the transmission distance. Therefore, the concentration C of the exhaust gas component is calculated based on the ratio of the transmitted light intensity (I) to the incident light intensity (I 0 ), which is signal light, and the signal intensity (I / I 0 ). Transmitted light intensity I, the detector 26A, 26B, are output through 26C, the incident light intensity I 0 is the optical fiber 47A, 47B, differential optical detectors 50A, 50B, the photoelectric converter such as a photodiode in the 50C through 47C Is output from. As the incident light intensity I 0 in the present embodiment uses a signal light intensity that does not transmit the exhaust gas.

前記の如く構成された本実施形態の排ガス分析装置10の動作について以下に説明する。排ガスの成分の濃度を測定するときは、レーザ発振・受光コントローラ40の信号発生器を作動させて各レーザダイオードLD1〜LD5に信号を供給して各レーザダイオードLD1〜LD5から所定の波長の赤外レーザ光を発光させる。各レーザダイオードLD1〜LD5から発光された赤外レーザ光は、光ファイバ42…を通して分波器43…に至り、ここでセンサ部の数に合わせて分波される。   The operation of the exhaust gas analyzer 10 of the present embodiment configured as described above will be described below. When measuring the concentration of the exhaust gas component, the signal generator of the laser oscillation / light reception controller 40 is operated to supply a signal to each of the laser diodes LD1 to LD5, and the infrared of a predetermined wavelength is transmitted from each of the laser diodes LD1 to LD5. Laser light is emitted. The infrared laser light emitted from each of the laser diodes LD1 to LD5 reaches the duplexers 43 through optical fibers 42, and is demultiplexed according to the number of sensor units.

このあと、分波された赤外レーザ光は分波器44A…,44B…,44C…で測定光と信号光に分波される。1つのセンサ部11について詳細に説明すると、5つの分波器44Aで分波された信号光は合波器45Aで合波されて信号用レーザ光となり、差分型光検出器50Aに導光される。また、5つの分波器44Aで分波された測定光は合波器46Aで合波されて測定用レーザ光となり、センサ部11の照射部に光ファイバ25Aを通して導光される。他のセンサ部12,13についても、同様に分波器43…で分波されたあと、分波器44B…,44C…で信号光と測定光に分波され、合波器45B,45Cで合波されて、信号光は差分型光検出器50B,50Cに導光され、合波器46B,46Cで合波されて、測定光がセンサ部12,13に導光される。   Thereafter, the demultiplexed infrared laser light is demultiplexed into measurement light and signal light by demultiplexers 44A... 44B. The one sensor unit 11 will be described in detail. The signal light demultiplexed by the five demultiplexers 44A is multiplexed by the multiplexer 45A to become a signal laser beam and guided to the differential photodetector 50A. The The measurement light demultiplexed by the five demultiplexers 44A is combined by the multiplexer 46A to become measurement laser light, and is guided to the irradiation part of the sensor unit 11 through the optical fiber 25A. Similarly, the other sensor units 12 and 13 are demultiplexed by the demultiplexers 43, and then demultiplexed into signal light and measurement light by the demultiplexers 44B, 44C, and the like, and are multiplexed by the multiplexers 45B and 45C. After being combined, the signal light is guided to the differential photodetectors 50B and 50C, combined by the multiplexers 46B and 46C, and the measurement light is guided to the sensor units 12 and 13.

そして、センサ部11〜13の光ファイバ25A,25B,25Cから照射された測定用の赤外レーザ光は、照射光通過孔であるセンサ孔23を通して排ガスが通過している排ガス通過孔21内に照射される。赤外レーザ光は排気経路である排ガス通過孔21内を横切り、光通過孔38を通してミラー31に到達し下方のミラー31で上方に反射され、ついで光通過孔38を通してミラー31に到達し上方のミラー30で下方に反射され、反射を繰返すことで排ガス中の透過距離が大きくなり、最後にセンサ孔24を通してディテクタ26A,26B,26Cで受光される。すなわち、測定用の赤外レーザ光は排ガス中を透過して減衰され、減衰された透過光が受光部であるディテクタで受光され、透過光(測定光)の光強度が測定される。   And the infrared laser light for measurement irradiated from the optical fibers 25A, 25B, and 25C of the sensor units 11 to 13 enters the exhaust gas passage hole 21 through which the exhaust gas passes through the sensor hole 23 that is the irradiation light passage hole. Irradiated. The infrared laser beam traverses the exhaust gas passage hole 21 which is an exhaust path, reaches the mirror 31 through the light passage hole 38, is reflected upward by the lower mirror 31, and then reaches the mirror 31 through the light passage hole 38 and reaches the upper side. The light is reflected downward by the mirror 30, and the transmission distance in the exhaust gas is increased by repeating the reflection. Finally, the light is received by the detectors 26A, 26B, and 26C through the sensor hole 24. That is, the infrared laser light for measurement is transmitted through the exhaust gas and attenuated, and the attenuated transmitted light is received by the detector that is the light receiving unit, and the light intensity of the transmitted light (measurement light) is measured.

センサ孔23,24の内周面には、図6aに示されるように、散乱光排除手段としてめねじ23a,24aが形成されており、光通過孔38の内周面にも図6bに示されるように、散乱光排除手段としてめねじ38aが形成されているため、散乱光Sが発生しても散乱光はセンサ孔や光通過孔にレーザ光Rの本来の入射角度と異なる角度で入射するため、めねじ面で例えば反対方向に反射されてレーザ光に混入してセンサ孔23,24や光通過孔38を通過することはない。   As shown in FIG. 6a, female threads 23a and 24a are formed on the inner peripheral surfaces of the sensor holes 23 and 24 as scattered light exclusion means, and the inner peripheral surfaces of the light passage holes 38 are also shown in FIG. 6b. Since the internal thread 38a is formed as the scattered light exclusion means, even if the scattered light S is generated, the scattered light is incident on the sensor hole or the light passage hole at an angle different from the original incident angle of the laser light R. Therefore, it is not reflected by the female thread surface in the opposite direction, for example, and mixed into the laser light and does not pass through the sensor holes 23 and 24 and the light passage hole 38.

また、測定用の赤外レーザ光は排気経路を構成するセンサ部の排ガス通過孔21内の、排気経路と直交する面内を横切って受光されるため、直交する1断面における排ガスの成分の濃度や温度をスポット的に測定することができる。すなわち、排気経路に沿った、ある長さの範囲の排ガスの成分の濃度や温度を測定するのでなく、排気経路を横切る所定の1面を基準とした排ガスの成分の濃度や温度を測定することができるので、スポット的な測定が可能となる。   In addition, since the measurement infrared laser light is received across the plane perpendicular to the exhaust path in the exhaust gas passage hole 21 of the sensor section constituting the exhaust path, the concentration of the exhaust gas component in one orthogonal cross section And temperature can be measured in spots. That is, the concentration and temperature of the exhaust gas components in a certain range along the exhaust path are not measured, but the concentration and temperature of the exhaust gas components based on a predetermined plane crossing the exhaust path are measured. Therefore, spot-like measurement is possible.

排ガス中を通り減衰して受光部に到達した測定用の赤外レーザ光はディテクタ26A,26B,26Cで電気信号として出力され、信号線28A,28B,28Cを介して差分型光検出器50A,50B,50Cに供給される。一方、信号用レーザ光は差分型光検出器50A,50B,50Cに供給され、差分型光検出器では、複数の波長成分毎に透過光(測定光)と信号光の差を取り、透過光のうちの特定ガス成分のピーク波長を検出する。このようにして、差分型光検出器からの出力が信号解析装置であるパーソナルコンピュータ55に入力される。パーソナルコンピュータ55は、入力された複数の周波数帯ごとのピーク波長に基づいて、排ガスの成分の濃度測定や温度測定を実施して分析する。このようにして測定された排ガスの成分の濃度や温度は、散乱光の影響を受けないため、精度のよい測定が可能となり、分析精度が向上する。   The measurement infrared laser light that has attenuated through the exhaust gas and reached the light receiving section is output as an electrical signal by the detectors 26A, 26B, and 26C, and is supplied to the differential photodetector 50A, via the signal lines 28A, 28B, 28C. 50B and 50C. On the other hand, the signal laser light is supplied to the differential photodetectors 50A, 50B, and 50C, and the differential photodetector detects the difference between the transmitted light (measurement light) and the signal light for each of a plurality of wavelength components, and transmits the transmitted light. The peak wavelength of the specific gas component is detected. In this way, the output from the differential photodetector is input to the personal computer 55 which is a signal analysis device. The personal computer 55 performs the concentration measurement and temperature measurement of the components of the exhaust gas based on the input peak wavelength for each of the plurality of frequency bands and analyzes it. Since the concentration and temperature of the exhaust gas component thus measured are not affected by scattered light, it is possible to measure with high accuracy and improve analysis accuracy.

気体は、それぞれ固有の吸収波長帯を持っており、その吸収波長帯には、例えば図7に示すように、多くの吸収線が存在している。図7aは低温のときのシグナル強度(=分子数割合)を示しており、図7bは高温のときのシグナル強度を示している。このように、シグナル強度は温度に依存して変化するため、シグナル強度比を測定することにより、測定時の排ガスの温度を算出することができる。   Each gas has its own absorption wavelength band, and many absorption lines exist in the absorption wavelength band, for example, as shown in FIG. FIG. 7a shows the signal intensity at the low temperature (= number of molecules), and FIG. 7b shows the signal intensity at the high temperature. Thus, since the signal intensity changes depending on the temperature, the temperature of the exhaust gas at the time of measurement can be calculated by measuring the signal intensity ratio.

そして、図8に示すように、吸収線のうちの1本、例えば波長λ1に対してレーザ光の発振波長を掃引することによって吸収を測定する。この波形と信号レーザ光の波形との比をとることによって、スペクトルプロファイルを測定する。また、温度測定は、前記のスペクトルプロファイルを異なる2つの吸収線λ1、λ2について測定し、それらの面積比A1/A2(またはピークの高さの比P1/P2)をとることにより求めることができる。従来の波長変調法では、図8aに示すように、吸収スペクトルピークの先端の曲率により排ガスの成分の濃度を算出していたが、本発明では、図8bに示すように、吸収スペクトルの面積により排ガスの成分の濃度を算出するため、圧力の影響を受けにくい排ガスの成分の濃度の算出が可能となる。   Then, as shown in FIG. 8, the absorption is measured by sweeping the oscillation wavelength of the laser light with respect to one of the absorption lines, for example, the wavelength λ1. The spectrum profile is measured by taking the ratio between this waveform and the waveform of the signal laser beam. Further, the temperature measurement can be obtained by measuring the spectrum profile for two different absorption lines λ1 and λ2 and taking the area ratio A1 / A2 (or the peak height ratio P1 / P2). . In the conventional wavelength modulation method, as shown in FIG. 8a, the concentration of the exhaust gas component is calculated based on the curvature of the tip of the absorption spectrum peak, but in the present invention, as shown in FIG. Since the concentration of the exhaust gas component is calculated, it is possible to calculate the concentration of the exhaust gas component that is not easily affected by pressure.

本実施形態の排ガス分析装置10は、測定用レーザ光が通過する照射光通過孔であるセンサ孔23、透過光通過孔であるセンサ孔24およびレーザ光をミラーに到達させるための光通過孔38,38の内周面には散乱光排除手段としてめねじ面23a,24a,38aが形成されているため、排ガス通過孔内での乱反射による散乱光や、ミラー30,31で反射される際に発生する散乱光が受光部に到達することが少なく、受光部で受光されにくい構成となっており、受光部で受光された透過レーザ光に散乱光が混じることが少なく、散乱光によるノイズを低減できるため、測定精度を高めることができる。   The exhaust gas analyzer 10 of the present embodiment includes a sensor hole 23 that is an irradiation light passage hole through which the measurement laser light passes, a sensor hole 24 that is a transmission light passage hole, and a light passage hole 38 for causing the laser light to reach the mirror. , 38 are formed with female thread surfaces 23a, 24a, 38a as scattered light exclusion means, so that when scattered light due to irregular reflection in the exhaust gas passage holes and reflected by the mirrors 30, 31 are formed. Scattered light that occurs is unlikely to reach the light receiving part and is difficult to be received by the light receiving part. Scattered light is less likely to mix with the transmitted laser light received by the light receiving part, reducing noise caused by scattered light. Therefore, measurement accuracy can be increased.

測定用レーザ光が照射されるセンサ孔23は照射光通過孔を構成し、排ガス中を透過したレーザ光が受光されるセンサ孔24は透過光通過孔を構成し、これらの光通過孔の散乱光排除手段は、ねじ切り用のタップをねじ込むことで容易にめねじ面23a,24aとして形成することができる。また、排ガス通過孔21とミラーとを連通する光通過孔38,38も、ねじ切り用のタップをねじ込むことで、内周面に散乱光排除手段としてめねじ面38aを容易に形成することができる。   The sensor hole 23 to which the measurement laser light is irradiated constitutes an irradiation light passage hole, and the sensor hole 24 to which the laser light transmitted through the exhaust gas is received constitutes a transmission light passage hole. Scattering of these light passage holes The light exclusion means can be easily formed as the female thread surfaces 23a and 24a by screwing a thread cutting tap. In addition, the light passage holes 38 and 38 that communicate the exhaust gas passage hole 21 and the mirror can also be easily formed with a female thread surface 38a as a scattered light exclusion means on the inner peripheral surface by screwing a tap for threading. .

この測定に際し、センサ部のセンサベース20には、排気経路の断面形状と同じ直径の円形の排ガス通過孔21が形成され、しかもセンサベース20の厚さが薄く形成されていると共に、レーザ光が通過するセンサ孔23,24や光通過孔38,38が小さく形成されているため、排ガス流れを乱すことがなく排ガスが安定して流通するため、排気効率の低下を防止できる。しかも、排ガス流れを乱すことなく、排ガス中を透過させるレーザ光を反射させて排ガス中の透過距離を大きくして受光し、減衰量を大きくすることができるため、精度の高い測定が可能となる。なお、排ガス通過孔の断面形状は、排ガスの流れを乱さない範囲でほぼ等しく形成してもよい。   In this measurement, a circular exhaust gas passage hole 21 having the same diameter as the cross-sectional shape of the exhaust path is formed in the sensor base 20 of the sensor unit, and the thickness of the sensor base 20 is thin, and laser light is emitted. Since the passing sensor holes 23 and 24 and the light passage holes 38 and 38 are formed small, the exhaust gas flows stably without disturbing the exhaust gas flow, so that the exhaust efficiency can be prevented from lowering. In addition, the laser beam that passes through the exhaust gas is reflected without disturbing the flow of the exhaust gas to increase the transmission distance in the exhaust gas and receive light, thereby increasing the attenuation, thereby enabling highly accurate measurement. . Note that the cross-sectional shape of the exhaust gas passage hole may be formed to be approximately the same as long as the flow of the exhaust gas is not disturbed.

本発明の他の実施形態を図9に基づき詳細に説明する。図9は本発明に係る排ガス分析装置で使用するセンサ部の他の実施形態の正面図、D−D線断面図、E−E線断面図、F−F線要部断面図である。なお、この実施形態は前記した実施形態に対し、測定用のレーザ光が通過する光通過孔は、直径が徐々に変化するテーパ状の先細孔に形成され、この先細孔に散乱光排除手段としてテーパねじが形成されていることを特徴とする。そして、他の実質的に同等の構成については同じ符号を付して詳細な説明は省略する。   Another embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIG. FIG. 9 is a front view, a DD line cross-sectional view, a EE line cross-sectional view, and a FF line main part cross-sectional view of another embodiment of the sensor unit used in the exhaust gas analyzer according to the present invention. Note that this embodiment is different from the above-described embodiment in that the light passage hole through which the laser beam for measurement passes is formed in a tapered tip pore whose diameter gradually changes, and this tip pore serves as a scattered light exclusion means. A taper screw is formed. Other substantially equivalent configurations are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.

図9に示すセンサ部11Aは、センサベース20Aの中心に形成された排ガス通過孔21からミラーが固定された溝部まで貫通して先細孔38A…が形成されている。この先細孔は、例えばミラー側の直径が2mm程度で小さく、排ガス通過孔側の開口している直径が3〜4mm程度で排ガス通過孔側に向けて直径が徐々に大きくなるようにテーパ状に形成されている。このように、ミラー側の直径が小さく、開口側が大きい先細孔38Aとしているため、ミラーに入射するレーザ光は入射がしやすく、ミラー30,31でレーザ光が反射されるときに発生しやすい散乱光が先細孔を通過する通過光量を大幅に除去することができる。   The sensor part 11A shown in FIG. 9 penetrates from the exhaust gas passage hole 21 formed at the center of the sensor base 20A to the groove part to which the mirror is fixed, and has the leading holes 38A. For example, the tip pore is tapered so that the diameter on the mirror side is small at about 2 mm, the diameter opened on the exhaust gas passage hole side is about 3 to 4 mm, and the diameter gradually increases toward the exhaust gas passage hole side. Is formed. As described above, since the front aperture 38A has a small diameter on the mirror side and a large opening side, the laser light incident on the mirror is easy to enter, and scattering that is likely to occur when the laser light is reflected by the mirrors 30 and 31. The amount of light that passes through the fine pores can be significantly removed.

しかも、レーザ光が先細孔38Aを通過しているときに散乱光は、内周面に形成されたテーパめねじ面38bで反射され、レーザ光に混じって先細孔38Aを通過することは殆どなくなり、測定用のレーザ光に散乱光が混じることを防止できる。この結果、排ガス中を透過したレーザ光に基づいて排ガスの成分の濃度等を測定する際に、測定光に散乱光が混じらないため測定精度を向上させることができる。特に、先細孔38Aでミラー30,31に面する孔径が小さく、レーザ光がミラーで反射された際の散乱光を通過させにくい構造のため、反射回数が多くても散乱光が混入しにくく、測定精度を高めることができる。   In addition, when the laser beam passes through the tip hole 38A, the scattered light is reflected by the tapered female screw surface 38b formed on the inner peripheral surface, and hardly passes through the tip hole 38A mixed with the laser beam. The scattered light can be prevented from being mixed with the laser beam for measurement. As a result, when measuring the concentration of the components of the exhaust gas based on the laser light transmitted through the exhaust gas, the measurement accuracy can be improved since the scattered light is not mixed with the measurement light. In particular, since the diameter of the hole facing the mirrors 30 and 31 is small at the tip hole 38A and the scattered light is difficult to pass when the laser light is reflected by the mirror, the scattered light is hardly mixed even if the number of reflections is large, Measurement accuracy can be increased.

なお、図9では詳細に図示していないが、センサ孔23,24の内周面には、前記の実施形態と同様に散乱光排除手段としてめねじ面が形成されている。また、ミラー30,31の固定手段を図示していないが、図4のセンサ部と同様に取付ねじで固定してもよく、他の手段を用いて固定することもできる。散乱光排除手段として、めねじ面の例を示したが、多段スリットや段差面を形成して散乱光排除手段としてもよい。   Although not shown in detail in FIG. 9, female screw surfaces are formed on the inner peripheral surfaces of the sensor holes 23 and 24 as scattered light exclusion means, as in the above embodiment. Further, although the fixing means for the mirrors 30 and 31 are not shown, they may be fixed with mounting screws in the same manner as the sensor section of FIG. 4, or may be fixed using other means. Although an example of a female screw surface has been shown as the scattered light exclusion means, a multi-stage slit or a step surface may be formed as the scattered light exclusion means.

本発明の他の実施形態を図10に基づき詳細に説明する。図10は本発明に係る排ガス分析装置で使用するセンサ部の他の実施形態の要部断面図である。なお、本実施形態のセンサ部11Bは、図10に示すように、ミラー30,31の表面に水滴が付着するのを防止する結露防止ヒータHを備えている。すなわち、ミラー31の裏面側に近接してセンサベース20Bには側方から取付け穴Haが形成され、この取付け穴内にヒータHが装着されている。取付け穴はドリル等で円柱形に形成され、この内部に円筒形のヒータHが挿入され固定されている。このヒータHの設定温度は、ミラー30,31の表面温度が150〜200℃となるように設定されることが好ましく、このように設定されることで、ミラーの表面に付着しようとする水分を気化させ、結露を防止することができる。   Another embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIG. FIG. 10 is a cross-sectional view of the main part of another embodiment of the sensor unit used in the exhaust gas analyzer according to the present invention. As shown in FIG. 10, the sensor unit 11 </ b> B of the present embodiment includes a dew condensation prevention heater H that prevents water droplets from adhering to the surfaces of the mirrors 30 and 31. That is, a mounting hole Ha is formed from the side in the sensor base 20B in the vicinity of the rear surface side of the mirror 31, and a heater H is mounted in the mounting hole. The mounting hole is formed in a cylindrical shape by a drill or the like, and a cylindrical heater H is inserted and fixed therein. The set temperature of the heater H is preferably set so that the surface temperature of the mirrors 30 and 31 is 150 to 200 ° C. By setting the temperature in this way, moisture to be attached to the surface of the mirror is removed. Vaporization can prevent condensation.

なお、図10では下方のミラー31に近接してヒータHを固定する例を示しているが、上方のミラーも同様にヒータが固定される。また、図10では、レーザ光がミラーに向けて通過する光通過孔としてスリット39が形成されている。このスリットの内周面にも散乱光排除手段が形成されている。散乱光排除手段としては内周面に粗面加工したときに形成される粗面や、梨地面等の凹凸処理面でもよい。また、センサベースがアルミニウムで形成される場合は、アルマイト処理で表面を微小凹凸面(粗面)とした散乱光排除手段を形成してもよい。   Although FIG. 10 shows an example in which the heater H is fixed close to the lower mirror 31, the heater is similarly fixed to the upper mirror. In FIG. 10, a slit 39 is formed as a light passage hole through which the laser light passes toward the mirror. Scattered light eliminating means is also formed on the inner peripheral surface of the slit. The scattered light exclusion means may be a rough surface formed when the inner peripheral surface is roughened, or an uneven surface such as a satin finish. In addition, when the sensor base is formed of aluminum, scattered light exclusion means may be formed by setting the surface to a fine uneven surface (rough surface) by anodizing.

このヒータHは、エンジンの始動前に通電されることが好ましい。始動前に予め通電しておくと、ミラー30,31が冷えている状態で高温の排ガスが接触することによる熱ショックを防止でき、ミラーの熱ショックによる破損等を防止することができる。特に、排気経路の上流側ではエンジンから排出された排ガスは高温であるため、予めヒータに通電しておくことで熱ショックを防止してミラーの破損等を防ぐことができる。また、ミラーの排ガスが接触する表面は裏面と比較して高温となり、ミラー自体が熱変形するおそれがあるが、ヒータを適切な温度に設定することで熱変形を防止することができ、測定用のレーザ光の反射を安定させることができ、散乱光の発生を防止できる。   The heater H is preferably energized before starting the engine. If energized in advance before starting, it is possible to prevent a heat shock caused by contact of high-temperature exhaust gas while the mirrors 30 and 31 are cold, and to prevent breakage of the mirror due to the heat shock. In particular, since the exhaust gas discharged from the engine is hot on the upstream side of the exhaust path, by energizing the heater in advance, it is possible to prevent thermal shock and prevent damage to the mirror. In addition, the surface of the mirror that comes into contact with the exhaust gas is hotter than the rear surface, and the mirror itself may be thermally deformed. The reflection of the laser beam can be stabilized, and the generation of scattered light can be prevented.

以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。例えば、センサ部のガス通過孔に対向するようにレーザ光の照射部と受光部とを配置し、ミラー等の反射部材を使用しないでレーザ光を直接受光するように構成してもよい。また、ミラーを1枚使用し、照射部から照射されたレーザ光をミラーで1度だけ反射させて受光するように構成してもよい。   Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various designs can be made without departing from the spirit of the present invention described in the claims. It can be changed. For example, a laser beam irradiation unit and a light receiving unit may be disposed so as to face the gas passage hole of the sensor unit, and the laser beam may be directly received without using a reflecting member such as a mirror. Alternatively, a single mirror may be used so that the laser beam irradiated from the irradiation unit is reflected by the mirror only once and received.

さらに、レーザ光が通過する光通過孔として光通過孔やテーパ状の先細孔の例を示したが、スリット等で光通過孔を形成し、スリットの内周面に反射防止加工を施してレーザ光の乱反射による散乱光を減衰させるようにしてもよい。測定用のレーザ光として赤外レーザ光の例を示したが、可視レーザ光や紫外レーザ光を用いてもよいのは勿論である。   In addition, examples of light passage holes and tapered tip pores have been shown as light passage holes through which laser light passes. However, laser light passage holes are formed with slits, etc., and antireflection processing is applied to the inner peripheral surface of the slits. You may make it attenuate the scattered light by irregular reflection of light. Although an example of an infrared laser beam has been shown as the laser beam for measurement, it is needless to say that a visible laser beam or an ultraviolet laser beam may be used.

センサ部のセンサベースに照射部として光ファイバを、受光部としてディテクタを備える例を示したが、センサベースに直接レーザダイオード等の照射部を備えてもよく、フォトダイオード等のディテクタの代わりに受光用の光ファイバを装着する構成としてもよい。また、光ファイバの照射部にコリメータレンズを設け、コリメータレンズを通してガス通過孔内にレーザ光を照射するようにしてもよい。   Although the sensor base of the sensor unit is provided with an optical fiber as an irradiator and a detector as a light receiver, the sensor base may be provided with an irradiator such as a laser diode directly, and receives light instead of a detector such as a photodiode. It is good also as a structure which mounts the optical fiber for use. Moreover, a collimator lens may be provided in the irradiation part of the optical fiber, and laser light may be irradiated into the gas passage hole through the collimator lens.

本発明の活用例として、このガス分析装置を用いてボイラー等の燃焼装置の排ガス分析を行なうことができ、自動車の排ガス分析の他に船舶や発電機等で使用する内燃機関の排ガス分析の用途にも適用できる。また、ガソリンエンジンの排ガス分析の他にディーゼルエンジンの排ガス分析を行なうことができ、さらに他の内燃機関の排ガス分析の用途にも適用できる。   As an application example of the present invention, this gas analyzer can be used for exhaust gas analysis of combustion devices such as boilers, and in addition to automobile exhaust gas analysis, it is used for exhaust gas analysis of internal combustion engines used in ships, generators, etc. It can also be applied to. In addition to the exhaust gas analysis of a gasoline engine, exhaust gas analysis of a diesel engine can be performed, and further, it can be applied to the use of exhaust gas analysis of other internal combustion engines.

本発明に係るガス分析装置としての排ガス分析装置を車両に搭載した一実施形態の要部構成図。The principal part block diagram of one Embodiment which mounted the exhaust gas analyzer as a gas analyzer which concerns on this invention in the vehicle. 本発明に係るガス分析装置としての排ガス分析装置をエンジンベンチに搭載した他の実施形態の要部構成図。The principal part block diagram of other embodiment which mounted the exhaust gas analyzer as a gas analyzer which concerns on this invention in the engine bench. 1つのセンサ部の要部の分解した状態の斜視図を含む排ガス分析装置の要部構成図。The principal part block diagram of the exhaust gas analyzer containing the perspective view of the state which the principal part of one sensor part decomposed | disassembled. (a)は図3のセンサ部の一部を破断した正面図、(b)は(a)のA−A線断面図、(c)は(a)のB−B線断面図、(d)は(c)のC−C線要部断面図。(A) is the front view which fractured | ruptured a part of sensor part of FIG. 3, (b) is the sectional view on the AA line of (a), (c) is the sectional view on the BB line of (a), (d ) Is a sectional view taken along the line CC of (c). レーザ発振・受光コントローラの要部構成および信号解析装置を含む排ガス分析装置の全体構成を示すブロック図。The block diagram which shows the whole structure of the exhaust gas analyzer containing the principal part structure of a laser oscillation and light reception controller, and a signal analyzer. (a),(b)はそれぞれ、散乱光を排除する状態を示す要部拡大断面図。(A), (b) is a principal part expanded sectional view which respectively shows the state which excludes scattered light. 吸収スペクトルの圧力の影響を示し、(a)は低温のときのシグナル強度の説明図、(b)は高温のときのシグナル強度の説明図。The influence of the pressure of an absorption spectrum is shown, (a) is explanatory drawing of signal intensity at the time of low temperature, (b) is explanatory drawing of signal intensity at the time of high temperature. (a)は従来の吸収スペクトルから排ガスの成分の濃度を算出する説明図、(b)は本発明の吸収スペクトルから排ガスの成分の濃度を算出する説明図。(A) is explanatory drawing which calculates the density | concentration of the component of exhaust gas from the conventional absorption spectrum, (b) is explanatory drawing which calculates the density | concentration of the component of exhaust gas from the absorption spectrum of this invention. センサ部の他の実施形態を示し、(a)はセンサ部の正面図、(b)は(a)のD−D線断面図、(c)は(a)のE−E線断面図、(d)は(c)のセンサベースのF−F線要部断面図。Other embodiment of a sensor part is shown, (a) is a front view of a sensor part, (b) is a DD line sectional view of (a), (c) is a EE line sectional view of (a), (D) is sectional drawing of the principal part of the FF line | wire of the sensor base of (c). センサ部のさらに他の実施形態を示す要部断面図。The principal part sectional view showing other embodiments of a sensor part.

符号の説明Explanation of symbols

1:自動車、1A:エンジンベンチ、2:エンジン(内燃機関)、3:エキゾーストマニホルド(排気経路)、4:排気管(排気経路)、5:第1触媒装置(排気経路)、6:第2触媒装置(排気経路)、7:マフラー(排気経路)、8:排気パイプ(排気経路)、10:排ガス分析装置(ガス分析装置)、11〜14,11A,11B:センサ部、20,20A,20B:センサベース、21:排ガス通過孔、23:センサ孔(照射光通過孔)、24:センサ孔(透過光通過孔)、23a,24a:めねじ面(散乱光排除手段)、25:光ファイバ(照射部)、26:ディテクタ(受光部)、30,31:ミラー、38:光通過孔、38a:めねじ面(散乱光排除手段)、38A:先細孔(光通過孔)、38b:テーパめねじ(散乱光排除手段)、39:スリット(光通過孔)、40:レーザ発振・受光コントローラ、43:分波器、44A〜44C:分波器、45A〜45C,46A〜46C:合波器、50A〜50C:差分型光検出器、55:パーソナルコンピュータ(信号解析装置)、H:ヒータ、R:レーザ光、S:散乱光   1: automobile, 1A: engine bench, 2: engine (internal combustion engine), 3: exhaust manifold (exhaust path), 4: exhaust pipe (exhaust path), 5: first catalyst device (exhaust path), 6: second Catalyst device (exhaust path), 7: Muffler (exhaust path), 8: Exhaust pipe (exhaust path), 10: Exhaust gas analyzer (gas analyzer), 11-14, 11A, 11B: Sensor unit, 20, 20A, 20B: Sensor base, 21: Exhaust gas passage hole, 23: Sensor hole (irradiation light passage hole), 24: Sensor hole (transmission light passage hole), 23a, 24a: Female thread surface (scattered light exclusion means), 25: Light Fiber (irradiation part), 26: Detector (light-receiving part), 30, 31: Mirror, 38: Light passage hole, 38a: Female thread surface (scattered light exclusion means), 38A: Tip pore (light passage hole), 38b: Tapered female thread (scattered light exclusion) Stage), 39: slit (light passage hole), 40: laser oscillation / light receiving controller, 43: demultiplexer, 44A to 44C: demultiplexer, 45A to 45C, 46A to 46C: multiplexer, 50A to 50C: Differential-type photodetector, 55: personal computer (signal analysis device), H: heater, R: laser light, S: scattered light

Claims (7)

分析対象のガスにレーザ光を照射し、該ガス中を透過したレーザ光に基づいて前記ガスの成分濃度や温度を測定して分析するガス分析装置であって、
該ガス分析装置は、測定されるガスが流れる経路に固定されるセンサ部を備えており、
該センサ部は、
センサベースと、
前記センサベースに形成されたガスが流れるガス通過孔と、
前記センサベースに固定されたレーザ光を照射する照射部および照射されたレーザ光を受光する受光部と、
前記照射部から照射されたレーザ光が前記ガス通過孔を通って前記受光部に到達することができるように照射部側に形成された照射光通過孔と受光部側に形成された透過光通過孔と
前記センサベース内におけるガス通過孔外に配置されて前記照射部が照射したレーザ光を反射して前記受光部に導光するための反射部材と、
前記センサベースに形成された前記レーザ光を前記反射部材に到達させるための光通過孔と、を備えており、
前記照射光通過孔および透過光通過孔のうち少なくとも透過光通過孔の内周面前記レーザ光を減衰させて反射を防止する粗面が形成されており、
前記光通過孔は、該光通過孔の内周面に前記レーザ光を減衰させて反射を防止する粗面が形成され、かつ、前記ガス通過孔側を大径とし前記反射部材側を小径とする先細孔として形成されていることを特徴とするガス分析装置。
A gas analyzer that irradiates a gas to be analyzed with a laser beam and measures and analyzes the component concentration and temperature of the gas based on the laser beam transmitted through the gas,
The gas analyzer includes a sensor unit fixed to a path through which a gas to be measured flows,
The sensor unit is
A sensor base,
A gas passage hole through which the gas formed in the sensor base flows;
An irradiation unit for irradiating a laser beam fixed to the sensor base and a light receiving unit for receiving the irradiated laser beam;
An irradiation light passage hole formed on the irradiation portion side and a transmitted light passage formed on the light reception portion side so that the laser light emitted from the irradiation portion can reach the light reception portion through the gas passage hole. Holes ,
A reflecting member that is disposed outside the gas passage hole in the sensor base and reflects the laser beam irradiated by the irradiation unit and guides it to the light receiving unit;
A light passage hole for allowing the laser beam formed on the sensor base to reach the reflecting member, and
A rough surface for preventing reflection by attenuating the laser beam is formed on at least an inner peripheral surface of the transmitted light passage hole among the irradiation light passage hole and the transmitted light passage hole ,
The light passage hole has a rough surface for preventing reflection by attenuating the laser beam on the inner peripheral surface of the light passage hole, and the gas passage hole side has a large diameter and the reflection member side has a small diameter. A gas analyzer characterized in that it is formed as a tip pore .
前記粗面は、前記内周面に粗面加工を施すことによって形成されていることを特徴とする請求項に記載のガス分析装置。 The gas analyzer according to claim 1 , wherein the rough surface is formed by subjecting the inner peripheral surface to a rough surface process. 前記センサベースがアルミニウムで形成される場合に、
前記粗面は、前記内周面にアルマイト処理を施すことによって形成されていることを特徴とする請求項に記載のガス分析装置。
When the sensor base is formed of aluminum,
The gas analyzer according to claim 1 , wherein the rough surface is formed by subjecting the inner peripheral surface to an alumite treatment.
前記ガス通過孔は、前記経路の断面形状と実質的に同じ断面形状であることを特徴とする請求項1から請求項のいずれか一項に記載のガス分析装置。 The gas analyzer according to any one of claims 1 to 3 , wherein the gas passage hole has substantially the same cross-sectional shape as a cross-sectional shape of the path. 前記センサ部は、前記経路中の複数個所に設置されることを特徴とする請求項1から請求項のいずれか一項に記載のガス分析装置。 The gas analyzer according to any one of claims 1 to 4 , wherein the sensor unit is installed at a plurality of locations in the path. 前記センサ部は、前記センサベースに反射部材を加熱するヒータを備えることを特徴とする請求項1から請求項のいずれか一項に記載のガス分析装置。 The gas analyzer according to any one of claims 1 to 5 , wherein the sensor unit includes a heater that heats a reflecting member on the sensor base. 前記分析対象のガスが、内燃機関から排出される排ガスであり、内燃機関に接続される排ガス流路を前記経路としたことを特徴とする請求項1から請求項のいずれか一項に記載のガス分析装置。 The analyte gas is the exhaust gas discharged from an internal combustion engine, according to any one of claims 6 to the exhaust gas flow path connected to the internal combustion engine from claim 1, characterized in that the said path Gas analyzer.
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