説明

オパシメータにおける発光素子光度補償装置

【課題】 個々のLEDに個別の温度特性を得る必要がなく、感温素子を使用することなく迅速にLEDの発光量を補償することができ、温度変化に対応したLEDの発光量を直接に求めることができるオパシメータにおける発光素子光度補償技術を開発すること。
【解決手段】 被測定対象の排ガス21を導入する測定室3を通して測定用受光素子に達する測定用光路を形成する発光素子4からの光を測定室3内の排出ガス21に透過させて測定用受光素子で受光するように構成したオパシメータ1における発光素子4光度補償装置であって、発光素子4からの発光を測定室3を介さないで受け得る位置に参照用受光素子12を配置する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
この発明はオパシメータ(透過式スモークメータ)における発光素子の発光光度補償装置に関するものである。
オパシメータは、測定室に導入された排ガスの粒状物質の濃度を光の減衰量で測定する装置である。
【背景技術】
【0002】
オパシメータ101は図4に示すように、測定室3を挟んで向かい合った発光素子4と受光素子5により測定光路が形成され、測定室3内に被測定対象である排ガス21を導入し、その排ガス21中に発光素子4からの光を透過させて受光素子5で受光して計測し排ガス21内の粒状物質が光を吸収する量を検出し、減衰された光量から排ガスの光吸収係数(m−1)を算出する。排ガスの粒状物質が光を吸収した量を光吸収係数(K)と呼び、減衰光との関係はベア・ランベルト法則として広く知られている。
K=−(1/La)・{ln(I/I)}(1式)ただし K :光吸収係数(1/m)
La :有効光路長さ(m)
I :排ガスがあるときの光量
:排ガスが無いときの光量
I/I :排ガスの透過率
発光素子4の発光量は周囲温度に影響される場合がある。例えば発光素子4をLED(発光ダイオード)で構成した場合には、LEDの発光量はLEDの周囲温度が高くなると大きく減少し、温度が低くなると増加することは広く知られていて測定値の温度補償をする必要がある。
【0003】
これまでの温度補償技術は、LED付近に感温素子を配置し、その温度測定値からLEDに流す電流を調整して発光量を一定にする手法、あるいは、温度測定値から受光側で受光量を補償する手法を用いている。
スモークメータにおいて、光吸収係数の温度補償を行う技術としては特許文献1及び2に記載されたものがある。
【0004】
このうち、特許文献1に記載された技術は排ガス中の粒子状物質を吸着させてろ紙からの反射光を測定する反射式スモークメータに関する技術であるのでオパシメータ(透過型スモークメータ)とは測定原理が異なっている。
【0005】
また特許文献2に記載された技術では排気管から排圧分流された排ガスは、オパシメータの測定室に導入され左右に分流され、測定室の左右の終端で掃気エアー(清浄空気)と合流させて大気に放出する。その間に発光素子のLEDから発せられた光は測定室内の排ガスを透過し、減衰して受光素子で受光され、減衰量から排ガスの光吸収係数が求められる。エアーカーテン14、15は掃気エアーを流して、受光素子、発光素子が排ガスの粒状物質、水分、等により汚染されるのを防ぐ役割を果たす。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【特許文献1】特開平07−260683
【特許文献2】特開平11−183379
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
このような、従来のオパシメータ101の問題点を次に示す。
(1)温度に対するLEDの発光量の特性は、個々に特有な特性を示す。よって個別の温
度特性を得る必要がある。
(2)感温素子のメモリ付けを必要とする。
(3)感温素子の熱容量と、LEDの熱容量が異なり、周囲温度が変化した場合に感温素
子とLEDの温度変化に違いができ、正しい補償値になるまで時間差が生じる。
(4)LEDの自己発熱により発光量変動を生じる。これは感温素子では検知できない。
【0008】
さらに感温素子によってLEDの周囲の温度を測定し、その温度測定値からLEDの発光量を補償したり、受光量を補正するためには、感温素子が必要となるだけでなく、LEDの発光量を求めるには間接的で、誤差が入り易い。
【0009】
このようなことから、個々のLEDに個別の温度特性を得る必要がなく、感温素子を使用することなく迅速にLEDの発光量を補償することができ、温度変化に対応したLEDの発光量を直接に求めることができるオパシメータにおける発光素子光度補償技術の開発が望まれている。
【課題を解決するための手段】
【0010】
この目的に対応してこの発明のオパシメータにおける発光素子光度補償装置は、被測定対象の排ガスを導入する測定室を通して測定用受光素子に達する測定用光路を形成する発光素子からの光を前記測定室内の排出ガスに透過させて前記測定用受光素子で受光するように構成したオパシメータにおける発光素子光度補償装置であって、前記発光素子からの発光を前記測定室を介さないで受け得る位置に参照用受光素子を配置したことを特徴としている。
【発明の効果】
【0011】
この発明のオパシメータにおける発光素子光度補償装置では、
(1)感温素子が不要になり、装置の構成を簡単にすることができる。
(2)また感温素子が無くなることで、温度に関連する調整が不要になり、迅速な測定が可能になる。
(3)また、LEDの発光光度の個々の温度特性取得作業が不要になり、測定操作が簡易になる。
(4)さらに温度変化に大変優れ、かつ低コストのオパシメータが構築できる。
【発明を実施するための形態】
【0012】
以下この発明の詳細を実施の形態を示す図面について説明する。
図1及び図2において、1はオパシメータである。オパシメータ1は発光素子発光度補償装置(以下単に「補償装置」と称する)2を備えている。
補償装置2は測定室3と発光素子4と受光素子5とを備えている。
測定室3は排ガスを収容可能な空間をなし、その中間部に被測定対象である排ガスを導入する排ガス入り口6とその両端に排ガスを排出する排ガス出口7、8とが開口している。
排ガス出口7、8にはエアーカーテン部14、15が設けられ、エアーカーテン部14、15には掃気エアーが流出され、排ガス出口7、8における排ガスの流出を案内して排ガスが後述する発光素子4や受光素子5に接触するのを阻止する。
【0013】
一方の排ガス出口7に対向して発光素子4が配置されていて、発光素子4は測定室3を貫通して、排ガス出口7から排ガス出口8に達する光路11に光を投射することが可能である。発光素子4としてはLEDやランプで構成することができる。
【0014】
排ガス出口8に対向して光路11上に受光素子5が配置されている。受光素子5はフォトダイオード等で構成されている。
【0015】
発光素子4の近傍に補償装置2が設けられている。補償装置2は参照用受光装置12を備えている。
参照用受光素子12の目的は、周囲温度の変化、およびLED等の発光素子4の自己発熱によるLED光量変化を検出することである。
発光素子4の光路11に向う光と参照用受光素子12に向う光との光量比が定まっているもので、かつ参照用受光素子12は受光素子5と温度特性が同じもので構成し、また参照用受光素子12と受光素子5の設置位置は同じ温度環境で設置する。
【0016】
また参照用受光素子12の設置位置は発光素子4からの光が受けられる位置で、かつ発光素子4からの受光量に影響を与えるような実質的な熱量の伝達がない位置であることが必要である。
【0017】
さらに参照用受光素子12の設置位置は発光素子4の光路11と干渉しない位置である必要がある。
このような発光素子4、受光素子5、参照用受光素子12の条件を満たすために、受光素子5と参照用受光素子12は一例として
発光素子4はLEDで構成し、受光素子5、参照用受光素子12は共にフォトダイオードで構成し、かつ参照用受光素子12の設置位置は、受光面13が光路11と平行で発光素子4の側面16からXmm(Xmm=0.2〜0.5mm)離れた位置にする。
受光素子5と参照用受光素子12との2つの受光素子は温度依存性が少ないもの、あるいは温度に対する受光素子が同じ特性のものを採用する。
【0018】
参照用受光素子12は、LEDの自己加熱の影響を受けず、かつ、受光量が不足しない距離で図2のようにLEDの側面近傍に配置する。
【0019】
参照用受光素子12の測定値は、LEDの自己加熱と周囲温度の影響で変化した光量が検出でき、排ガスに含まれる粒状物質による減衰には影響されない。
【0020】
このように構成されたオパシメータ1における発光度補償つき排ガスの粒状物質の濃度測定は次のようにして行う。
被測定対象である排ガスはエンジンの排気管から排圧によって排ガス入口6から測定室3に入り左右に分かれて測定室3内に充満し、濃度計測され、その後、測定室3の両端の排ガス出口7、8からエアーカーテン14、15の掃気空気流に案内されて外部に排出されている。
【0021】
光吸収係数の計測においては、発光素子4が発光した発光の主要部分はコンデンサーレンズ17を通して、光路11に従って測定室3を通り、その間に測定室3内の排ガスの粒状物質によって減衰されて受光素子5に達し、受光量の計測がなされる。
【0022】
一方、発光素子4の発光の一定割合は排ガスに減衰されない状態で参照用受光素子12に達する。
【0023】
発光素子4の周囲温度が変動した場合、発光素子4の光量変動は受光素子12と同じ割合で変動する。
【0024】
一般に透過率(T)はT=(I/IS0)×100(2式)と表される。
T :粒状物質の透過率(%)
:粒状物質が存在するときの受光素子5の受光量
S0:粒状物質が存在しないときの受光素子5の受光量
受光素子Rを利用して温度補償をした透過率は、
T=(I/IS0)・(IR0/I)×100(3式)となる。
T :粒状物質の透過率(%)
:粒状物質が存在するときの受光素子5の受光量
S0:粒状物質が存在しないときの受光素子5の受光量
:粒状物質が存在するときの受光素子12の受光量
R0 : 粒状物質が存在しないときの受光素子12の受光量
周囲温度の影響によりLED発光量が変動した場合のそれぞれの受光量は同じ割合で影響を受ける。温度による変動分をaとすると、IとIはそれぞれ
→a・I
→a・I
となる。
【0025】
これを3式に代入すると
T={(a・I)/IS0}・{IR0/(a・I)}×100(4式)
となり、温度変動による光量変動分は相殺される。
こうして図3に示すように、周囲温度の変動に対して透過率の測定値が良好に補償される。
以上の説明から明らかなように、本発明による補償検出器付オパシメータ1によって、測定中の温度変化および光源の光量変化の影響は完全に補償できる。図3には従来の測定方式の検出器の場合の周囲温度の影響の測定例に対比して、本発明の補償検出器付の場合の周囲温度の影響の実測例が示してある。このように、5℃〜45℃と大きく周囲温度が変化しても測定値には全く影響しない。また、一般には光源は時間と共に光量が変化するが、本発明の補償検出器によってはこの光源光量の変化も十分に補償して測定できる。さらに、測定出力信号は通常のアナログ計測器においては3桁程度の分解能しか得られないが、本発明による演算処理によって4桁以上の精度と読み取りが可能となる。これらの効果によって、ディーゼル排気の黒煙濃度の測定において従来の方式よりも1桁低い濃度まで高精度と高分解能で測定できる。
【図面の簡単な説明】
【0026】
【図1】この発明のオパシメータの構成を示す説明図
【図2】この発明の発光素子光度補償装置
【図3】透過率と周囲温度との関係を示すグラフ
【図4】従来のオパシメータの構成を示す説明図
【符号の説明】
【0027】
1 オパシメータ
2 発光素子発光度補償装置
3 測定室
4 発光素子
5 受光素子
6 排ガス入口
7 排ガス出口
8 排ガス出口
11 光路
12 参照用受光素子
14 エアーカーテン部
15 エアーカーテン部
16 発光素子の側面
17 コンデンサーレンズ
21 排ガス
101 オパシメータ

【特許請求の範囲】
【請求項1】
被測定対象の排ガスを導入する測定室を通して測定用受光素子に達する測定用光路を形成する発光素子からの光を前記測定室内の排出ガスに透過させて前記測定用受光素子で受光するように構成したオパシメータにおける発光素子光度補償装置であって、前記発光素子からの発光を前記測定室を介さないで受け得る位置に参照用受光素子を配置したことを特徴とするオパシメータにおける発光素子光度補償装置。
【請求項2】
前記発光素子がLEDであることを特徴とする請求項1記載のオパシメータにおける発光素子光度補償装置。
【請求項3】
前記参照用受光素子は前記測定用受光素子と温度特性が同じであることを特徴とする請求項1記載のオパシメータにおける発光素子光度補償装置。
【請求項4】
前記参照用受光素子の設置位置は前記発光素子の設置位置と同じ環境温度であることを特徴とする請求項1記載のオパシメータにおける発光素子光度補償装置。
【請求項5】
前記参照用受光素子の設置位置は前記発光素子からの前記参照用受光素子の受光量に影響を与える熱量の熱伝達が無い位置で前記発光素子からの光が受けられる位置であることを特徴とする請求項1記載のオパシメータにおける発光素子光度補償装置。
【請求項6】
前記参照用受光素子の設置位置は前記光路と干渉しない位置であることを特徴とする請求項1記載のオパシメータにおける発光素子光度補償装置。
【請求項7】
前記発光素子は前記光路に向かう光と前記参照用受光素子に向かう光との光量比が定まっていることを特徴とする請求項1記載のオパシメータにおける発光素子光度補償装置。
【請求項8】
前記参照用受光素子の前記光軸に平行な受光面は前記LEDから前記光軸から垂直な方向に0.2〜0.5mm離れて配置することを特徴とする請求項2記載のオパシメータにおける発光素子光度補償装置

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【公開番号】特開2011−13073(P2011−13073A)
【公開日】平成23年1月20日(2011.1.20)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2009−156871(P2009−156871)
【出願日】平成21年7月1日(2009.7.1)
【出願人】(000144968)株式会社司測研 (17)
【Fターム(参考)】