濃度計測装置
【課題】測定対象の物質の濃度を高い応答性かつ高い精度で検出することができる濃度計測装置を提供することにある。
【解決手段】流体が通過する中空ファイバと、対象配管と連結し、流体を中空ファイバの一方の端部に供給する流入管と、測定対象の物質に固有の吸収が生じる波長を含む波長域の測定光を出力する発光部と、中空ファイバの一方の端部に連結され、発光部から出力された測定光を案内し中空ファイバに入射させる第１光ファイバと、中空ファイバの他方の端部に連結され、中空ファイバを通過した測定光が入射する第２光ファイバと、第２光ファイバを案内される測定光を受光する受光部と、受光部が受光した受光信号に基づいて流体に含まれる測定対象の物質の濃度を算出する算出部と、を有することで上記課題を解決する。
【解決手段】流体が通過する中空ファイバと、対象配管と連結し、流体を中空ファイバの一方の端部に供給する流入管と、測定対象の物質に固有の吸収が生じる波長を含む波長域の測定光を出力する発光部と、中空ファイバの一方の端部に連結され、発光部から出力された測定光を案内し中空ファイバに入射させる第１光ファイバと、中空ファイバの他方の端部に連結され、中空ファイバを通過した測定光が入射する第２光ファイバと、第２光ファイバを案内される測定光を受光する受光部と、受光部が受光した受光信号に基づいて流体に含まれる測定対象の物質の濃度を算出する算出部と、を有することで上記課題を解決する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ光を測定光として用いて測定対象のガスの濃度を計測する濃度計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
管路内を流れるガス（気体）を分析する方法として、レーザ光を測定光として用いる方法がある。例えば、特許文献１および特許文献２には、内燃機関から排出される排ガスにレーザ光を照射し、排ガス中を透過したレーザ光を受光し、受光されたレーザ光に基づいて排ガス中に含まれる成分の濃度を測定する排ガス分析方法が記載されている。特許文献１は、排ガス中の物質がレーザ光を吸収する吸収スペクトルを計測することで、当該物質の濃度の計測を行う。特許文献２は、レーザ光が排ガス中の物質に照射されることで発生するミー散乱光を計測することで、該物質の濃度の計測を行う。
【０００３】
また、特許文献３には、測定容積部へ光を導入するための少なくとも１つの光源と、測定容積部を通過する光を受信するために、測定容積部に対して光源の光伝搬方向でほぼ向かい合う少なくとも１つの光受信器とを備え、測定ガス容積部の中の１つまたは複数の目標ガスの濃度を評価ユニットによって求めることができるガス吸収測定のための光学測定セルであって、測定容積部は、内径が実質的に１ｍｍよりも小さい中空ファイバの内部容積によって構成されている光学測定セルが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４１９９７６６号公報
【特許文献２】特許第４２２７９９１号公報
【特許文献３】特表２０１０−５１０５０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１および特許文献２に記載されているように、レーザ光を用いて計測セルを流れる流体に含まれる測定対象の物質（成分）の濃度を計測することで、測定対象の物質の濃度を高い精度で計測することができる。また、特許文献１から特許文献３に記載のように、レーザ光を用いて濃度を計測することで、短時間で濃度を計測することができ、高い応答性で流体中に含まれる測定対象の物質の濃度を計測することができる。
【０００６】
しかしながら、特許文献１および特許文献２に記載されているように計測セルにレーザ光を入射する構成では、測定条件によってレーザ光の経路が変化しレーザ光の到達位置が変化し、計測精度が低下する恐れがある。また、特許文献３に記載されているように中空ファイバで構成される計測セルを計測対象の流体を排出する配管から離れた位置に配置すると、応答性の向上に限界がある。
【０００７】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、測定対象の物質の濃度を高い応答性かつ高い精度で検出することができる濃度計測装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、対象配管を流れる流体に含まれる対象物質の濃度を計測する濃度計測装置であって、前記流体が通過する中空ファイバと、前記対象配管と連結し、前記流体を前記中空ファイバの一方の端部に供給する流入管と、測定対象の物質に固有の九州が生じる波長を含む波長域の測定光を出力する発光部と、前記中空ファイバの一方の端部に連結され、前記発光部から出力された測定光を案内し前記中空ファイバに入射させる第１光ファイバと、前記中空ファイバの他方の端部に連結され、前記中空ファイバを通過した測定光が入射する第２光ファイバと、前記第２光ファイバを案内される測定光を受光する受光部と、前記受光部が受光した受光信号に基づいて前記流体に含まれる測定対象の物質の濃度を算出する算出部と、を有することを特徴とする。
【０００９】
ここで、前記中空ファイバは、前記対象配管に隣接していることが好ましい。
【００１０】
また、前記中空ファイバは、前記流体を発生させる発生源または前記対象配管で生じる熱および振動の影響を受ける位置に配置されることが好ましい。
【００１１】
前記中空ファイバの他方の端部に連結し、前記流体を前記中空ファイバから排出する流出管を、さらに有することが好ましい。
【００１２】
また、前記中空ファイバの一方の端部と、前記流入管および第１光ファイバとを連結する入光部と、前記中空ファイバの他方の端部と、前記流出管および第２光ファイバとを連結する出光部と、をさらに有することが好ましい。
【００１３】
また、前記測定光は、近赤外または中赤外の波長域のレーザ光であることが好ましい。
【００１４】
また、前記第１光ファイバは、径が前記中空ファイバの中空部分の径よりも小さいことが好ましい。
【００１５】
また、前記第２光ファイバは、径が前記中空ファイバの中空部分の径よりも大きいことが好ましい。
【００１６】
また、前記発光部とは異なる測定対象の物質に固有の吸収が生じる波長を含む波長域のサブ測定光を出力するサブ発光部および前記中空ファイバの一方の端部に連結され、前記サブ発光部から出力されたサブ測定光を案内し前記中空ファイバに入射させるサブ第１光ファイバとを備えるサブユニットを１つ以上備えることが好ましい。
【００１７】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、対象配管を流れる流体に含まれる対象物質の濃度を計測する濃度計測装置であって、前記流体が通過する第１中空ファイバと、前記対象配管と連結し、前記流体を前記第１中空ファイバの一方の端部に供給する第１流入管と、前記流体が通過する第２中空ファイバと、前記対象配管と連結し、前記流体を前記第２中空ファイバの一方の端部に供給する第２流入管と、前記第１中空ファイバの他方の端部と前記第２中空ファイバの他方の端部とを向かい合わせて前記第１中空ファイバと前記第２中空ファイバとを連結し、かつ、前記第１中空ファイバおよび第２中空ファイバを流れた前記流体を排出する開口を備える連結部と、測定対象の物質に固有の吸収が生じる波長を含む波長域の測定光を出力する発光部と、前記第１中空ファイバの一方の端部に連結され、前記発光部から出力された測定光を案内し前記第１中空ファイバに入射させる第１光ファイバと、前記第２中空ファイバの他方の端部に連結され、前記第１中空ファイバおよび前記第２中空ファイバを通過した測定光が入射する第２光ファイバと、前記第２光ファイバを案内される測定光を受光する受光部と、前記受光部が受光した受光信号に基づいて前記流体に含まれる測定対象の物質の濃度を算出する算出部と、を有することを特徴とする。
【００１８】
ここで、前記第２中空ファイバは、中空部分の径が、前記第１中空ファイバの中空部分の径よりも大きいことが好ましい。
【００１９】
また、測定対象の物質に固有の吸収が生じる波長は、測定対象の物質に固有な吸収波長であることが好ましい。
【発明の効果】
【００２０】
本発明にかかる濃度計測装置は、測定対象の物質の濃度を高い応答性かつ高い精度で検出することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１は、濃度計測装置の一実施形態の概略構成を示す模式図である。
【図２】図２は、図１に示す濃度計測装置の計測セルを拡大して示す拡大模式図である。
【図３】図３は、中空ファイバの概略構成を示す模式図である。
【図４】図４は、入光部の概略構成を示す断面図である。
【図５】図５は、入光部の概略構成を示す外観図である。
【図６】図６は、出光部の概略構成を示す断面図である。
【図７】図７は、出光部の概略構成を示す外観図である。
【図８】図８は、制御ユニットの概略構成を示す模式図である。
【図９】図９は、第１光ファイバの他の実施形態の概略構成を示す模式図である。
【図１０】図１０は、中空ファイバと第２光ファイバとの関係を示す模式図である。
【図１１】図１１は、中空ファイバと第２光ファイバとの関係を示す模式図である。
【図１２】図１２は、濃度計測装置の他の実施形態の概略構成を示す模式図である。
【図１３】図１３は、計測セルの他の実施形態の概略構成を示す模式図である。
【図１４】図１４は、図１３に示す計測セルの連結部を拡大して示す拡大断面図である。
【図１５】図１５は、計測セルの連結部を拡大して示す拡大外観図である。
【図１６】図１６は、計測セルの連結部を拡大して示す拡大断面図である。
【図１７】図１７は、計測セルの連結部を拡大して示す拡大外観図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下に、本発明にかかる濃度計測装置の一実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。なお、濃度計測装置は、流路を流れる種々の気体（ガス）、液体等の流体に含まれる測定対象物質の濃度を計測することができる。濃度計測装置は、例えば、ディーゼルエンジンに取り付け、ディーゼルエンジンから排出される排ガスに含まれる窒素酸化物、硫化酸化物、一酸化炭素、二酸化炭素、アンモニア等の濃度等を計測してもよい。なお、測定対象のガスを排出（供給）する装置は、これに限定されず、ガソリンエンジンや、ガスタービン等種々の内燃機関に用いることができる。また、内燃機関を有する装置としては、車両、船舶、発電機等種々の装置が例示される。さらに、濃度計測装置は、ゴミ焼却炉、ボイラ等の燃焼機器から排出される排ガスに含まれる測定対象物質の濃度等を計測することもできる。なお、以下の実施形態では、配管を流れる排ガスに含まれる測定物質の濃度を計測する場合として説明する。
【００２３】
図１は、濃度計測装置の一実施形態の概略構成を示す模式図である。図２は、図１に示す濃度計測装置の計測セルを拡大して示す拡大模式図である。図３は、中空ファイバの概略構成を示す模式図である。図４は、入光部の概略構成を示す断面図である。図５は、入光部の概略構成を示す外観図である。図６は、出光部の概略構成を示す断面図である。図７は、出光部の概略構成を示す外観図である。図８は、制御ユニットの概略構成を示す模式図である。
【００２４】
濃度計測装置１０は、エンジン２から排出され排気管４を流れる排ガス（液体）Ａに含まれる測定対象の物質（成分）の濃度を計測する。なお、エンジン２は、上述したようにディーゼルエンジン、ガソリンエンジン等の種々のエンジンを用いることができる。図１に示すように濃度計測装置１０は、排ガスＡの一部を測定対象のサンプル排ガスＢとして流通させる計測セル１２と、計測セル１２の内部に測定光を照射することで、サンプル排ガスＢに含まれる測定対象の物質の濃度を計測する計測手段１４と、を有する。
【００２５】
計測セル１２は、図１および図２に示すように、中空ファイバ２０と、流入管２２と、流出管２４と、吸引ポンプ２５と、入光部２６と、出光部２８と、を有する。計測セル１２は、排気管４を流れる排ガスＡの一部をサンプル排ガスＢとして流入管２２で取得し、流入管２２で取得したサンプル排ガスＢを中空ファイバ２０に供給し、中空ファイバ２０を流れたサンプル排ガスＢは、流出管２４から排出される。
【００２６】
中空ファイバ２０は、フレキシブルなチューブであり、本実施形態では排気管４の外周に巻きつけて配置されている。中空ファイバ２０は、図３に示すように、中空の円管部２０ａと、円管部２０ａの内壁の全面に配置された反射部２０ｂとで構成される。中空ファイバ２０は、内部にサンプル排ガスＢを流通し、後述する測定光Ｌを反射部２０ｂで反射させる。なお、中空ファイバ２０は、円管部２０ａの内壁に銀やアルミニウム等を蒸着することで反射部２０ｂを形成する。
【００２７】
流入管２２は、配管であり、一方の端部が排気管４に挿入され、他方の端部が入光部２６を介して中空ファイバ２０と連結している。流入管２２は、一方の端部から排気管４を流れる排ガスＡの一部がサンプル排ガスＢとして供給され、供給されたサンプル排ガスＢを他方の端部から中空ファイバ２０に供給する。
【００２８】
流出管２４は、配管であり、一方の端部が出光部２８を介して中空ファイバ２０と連結され、他方の端部が開放されている。また、流出管２４は、一方の端部から中空ファイバ２０を流れるサンプル排ガスＢが供給され、供給されたサンプル排ガスＢを他方の端部から排出する。
【００２９】
吸引ポンプ２５は、流出管２４に配置されており、流出管２４内の空気を一方の端部から他方の端部側へ吸引する。
【００３０】
入光部２６は、流入管２２と中空ファイバ２０の一方の端部とを連結している。また、入光部２６は、後述する計測手段１４の第１光ファイバ３２が挿入されている。入光部２６は、図４および図５に示すように、中空ファイバ２０の一方の端部を塞ぐ蓋であり、蓋の一部に第１光ファイバ３２が挿入されている。入光部２６は、流入管２２と連結しかつ中空ファイバ２０の内部の空洞と連結している開口２６ａが形成されている。なお、開口２６ａの数は特に限定されない。入光部２６は、流入管２２から供給されるサンプル排ガスＢが開口部２６ａから中空ファイバ２０に流入する。また、入光部２６は、第１光ファイバ３２の端面が、中空ファイバ２０の内部空間と対面する位置で露出するように第１光ファイバ３２を支持している。これにより、第１光ファイバ３２から照射される測定光Ｌは、中空ファイバ２０に供給される。
【００３１】
出光部２８は、中空ファイバ２０の他方の端部と流出管２４とを連結している。また、出光部２８は、後述する計測手段１４の第２光ファイバ３４が挿入されている。出光部２８は、図６および図７に示すように、中空ファイバ２０の他方の端部を塞ぐ蓋であり、蓋形状の一部に第２光ファイバ３４が挿入されている。出光部２８は、流出管２４と連結しかつ中空ファイバ２０の内部の空洞と連結している開口２８ａが形成されている。出光部２８は、中空ファイバ２０から供給されるサンプル排ガスＢが開口部２８ａから流出管２４に流入する。また、出光部２８は、第２光ファイバ３４の端面が、中空ファイバ２０の内部空間と対面する位置で露出するように第２光ファイバ３４を支持している。これにより、中空ファイバ２０内を進む測定光Ｌは、第２光ファイバ３４に到達し、第２光ファイバ３４に入射する。
【００３２】
計測セル１２は、以上のような構成であり、吸引ポンプ２５を駆動し、流出管２４の空気を吸引することで、排気管４内を流れる排ガスＡを流入管２２内に吸い込む空気の流れを形成する。これにより、排気管４内を流れる排ガスＡの一部は、サンプル排ガスＢとして流入管２２に流入し、入光部２６の開口２６ａから中空ファイバ２０に供給される。中空ファイバ２０に供給されたサンプル排ガスＢは、中空ファイバ２０の端部から端部まで流れ、出光部２８の開口２８ａから流出管２４に排出され、流出管２４から外部に排出される。これにより、計測セル１２は、サンプル排ガスＢを中空ファイバ２０内に流すことができる。なお、本実施形態では、流出管２４の他方の端部を大気に開放したが、排気管４と連結させてもよい。流出管２４の他方の端部を排気管４と連結させることで、サンプル排ガスＢを再び排気管４に戻すことができる。
【００３３】
次に、計測手段１４は、第１光ファイバ３２と、第２光ファイバ３４と、制御ユニット３６と、を有する。第１光ファイバ３２は、一方の端部が制御ユニット３６と連結し、他方の端部が中空ファイバ２０の内面と対面している。第１光ファイバ３２は、他方の端部の近傍が入光部２６に挿入され、支持されている。第１光ファイバ３２は、制御ユニット３６から出力された測定光Ｌを案内し、計測セル１２の中空ファイバ２０内に入射させる。
【００３４】
第２光ファイバ３４は、一方の端部が中空ファイバ２０の内面と対面し、他方の端部が制御ユニット３６と連結している。第２光ファイバ３４は、一方の端部の近傍が出光部２８に挿入され、支持されている。第２光ファイバ３４は、中空ファイバ２０から出力された測定光Ｌを案内し、計測セル１２の制御ユニット３６に入射させる。
【００３５】
制御ユニット３６は、発光部４０と、受光部４４と、光源ドライバ４６と、信号処理部４７と、算出部４８と、制御部５０と、を有する。なお、本実施形態では、信号処理部４７と、算出部４８と、を別々に設けたが一体で（１つの処理部として）設けてもよい。また、制御ユニット３６は、光源ドライバ４６と、信号処理部４７と算出部４８と制御部５０とを一体で（１つの処理部として）設けてもよい。
【００３６】
発光部４０は、測定光Ｌとして、所定波長のレーザ光を出力（発光）させる発光素子を有する。なお、発光部４０の発光素子は、測定光Ｌとして出力するレーザ光の出力波長を所定の波長幅（周波数幅）で設定した周波数で変化させることができる発光素子である。発光素子としては、波長可変の半導体レーザ素子（ＬＤ：Laser Diode）を用いることができる。発光部４０は、測定対象の物質（ガス）が吸収する波長（吸収波長）を含む波長域（好ましくは中赤外波長域（２．５μｍから４μｍ）、近赤外波長域（０．７μｍから２．５μｍ））のレーザ光を出力する。例えば、計測対象が一酸化窒素の場合、発光部４０は、一酸化窒素により吸収される近赤外波長域を含む波長域のレーザ光を出力する。また、計測対象が二酸化窒素の場合、発光部４０は、二酸化窒素により吸収される近赤外波長域の波長域を含むレーザ光を出力する。また、計測対象が亜酸化窒素の場合、発光部４０は、亜酸化窒素により吸収される近赤外波長域の波長域を含むレーザ光を出力する。なお、測定対象が複数の物質である場合、発光部４０は、夫々の物質が吸収する波長域の光を発光する発光素子を複数備え、それぞれの波長域の光を出力するようにしてもよい。また、発光部４０は、第１光ファイバ３２と連結しており、発光素子から出力させた測定光Ｌを第１光ファイバ３２に入射させる。
【００３７】
受光部４４は、計測セル１２の中空ファイバ２０の内部を通過し、第２光ファイバ３４から出力された測定光Ｌを受光する受光部である。なお、受光部４４は、例えば、フォトダイオード（ＰＤ、Photodiode）等の受光素子（光検出器）を備え、受光素子によって測定光（レーザ光）Ｌを受光し、その光の強度を検出する。受光部４４は、受光した測定光（レーザ光）の強度（光量）を受光信号として、信号処理部４７に送る。
【００３８】
光源ドライバ４６は、発光部４０を駆動する機能を有し、発光部４０に供給する電流、電圧を調整することで、発光部４０から出力されるレーザ光の波長、強度を調整する。光源ドライバ４６は、制御部５０を介して算出部４８に、発光部４０から出力しているレーザ光の強度の情報を出力する。なお、光源ドライバ４６は、発振器であり、電流、電圧を所定の波形で発光部４０に供給することで時間により波長が変化するレーザ光を出力させることができる。
【００３９】
ここで、光源ドライバ４６は、レーザ光の波長を一定の波長として出力してもよいが、設定された変調周波数でレーザ光の波長を振動させてもよい。発光部４０は、光源ドライバ４６により設定された変調周波数でレーザ光の波長が振動されることで、測定対象の物質が吸収する波長域（好ましくは中赤外波長域、近赤外波長域）を含む波長域のレーザ光を変調周波数で波長を変調しつつ出力することができる。なお、光源ドライバ４６は、発光部４０から出力する測定光（レーザ光）を、測定対象の物質が吸収する吸収波長を中心とした一定波長幅で波長を変調させることがより好ましい。この時の一定波長幅の波長の変動を周期的に行い、その変動の周期の周波数が変調周波数とする。本実施形態の光源ドライバ４６は、変調周波数として、８０ｋＨｚ以上の周波数、より好ましくは、１００ｋＨｚ以上の周波数を用いる。
【００４０】
信号処理部４７は、受光部４４が測定光Ｌを受光することで生成した信号（受光信号）を処理する。具体的には、信号処理部４７は、受光信号に含まれるノイズ成分を除去し、発光部４０から出力され受光部４４に到達したレーザ光の成分（つまり変調周波数に対応した信号成分）を抽出する。なお、抽出して生成される信号を以下スペクトル信号という。
【００４１】
算出部４８は、信号処理部４７から出力されたスペクトル信号に基づいて、計測セル１２を流れるサンプル排ガスＢに含まれる測定対象の物質の濃度を算出し、排出管４を流れる排ガスＡに含まれる測定対象の物質の濃度をする。算出部４８は、信号処理部４７から出力されたスペクトル信号と、制御部５０により光源ドライバ４６を駆動させている条件とに基づいて、計測対象の物質の濃度を算出する。具体的には、算出部４８は、制御部５０により光源ドライバ４６を駆動させている条件に基づいて発光部４０から出力される測定光Ｌの強度を算出し、信号処理部４７で生成されたスペクトル信号に基づいて受光した測定光Ｌの強度を算出する。算出部４８は、この発光した測定光Ｌの強度と受光した測定光Ｌの強度と比較し、サンプル排ガスＢに含まれる測定対象の物質の濃度を算出し、排ガスＡに含まれる測定対象の物質の濃度を算出する。
【００４２】
具体的には、発光部４０から出力された測定光Ｌは、第１光ファイバ３２から計測セル１２の所定経路、具体的には、入光部２６、中空ファイバ２０、出光部２８を通過した後、第２光ファイバ３４に入射し、第２光ファイバ３４から受光部４４に到達する。このとき、計測セル１２内のサンプル排ガスＢ中に測定対象の物質が含まれていると、計測セル１２を通過するレーザ光が吸収される。そのため、測定光Ｌは、サンプル排ガスＢ中の測定対象の物質の濃度によって、受光部４４に到達する測定光Ｌの出力が変化する。受光部４４は、受光した測定光Ｌを受光信号に変換する。受光部４４で生成された受光信号は、信号処理部４７で処理されスペクトル信号として算出部４８に入力される。また、制御部５０および光源ドライバ４６は、発光部４０から出力した測定光Ｌの強度を算出部４８に出力する。算出部４８は、発光部４０から出力した光の強度と、スペクトル信号から算出される強度とを比較し、その減少割合から計測セル１２内を流れるサンプル排ガスＢの測定対象物の濃度を算出する。このように計測手段１４は、いわゆるＴＤＬＡＳ方式（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy：可変波長ダイオードレーザー分光法）を用いることで、出力した測定光Ｌの強度と、受光部４４で検出した受光信号とに基づいて、サンプル排ガスＢの測定対象の物質の濃度を、算出および／または計測することができる。またサンプル排ガスＢの測定対象の物質の濃度を計測することで、排気管４を流れる排ガスＡに含まれる測定対象の物質の濃度を計測することができる。また、計測手段１４は、連続的に測定対象の物質の濃度を、算出および／または計測することができる。なお、濃度計測装置１０は、発光部４０から出力される測定光Ｌの強度を一定として、スペクトル信号のみに基づいてサンプル排ガスＢに含まれる測定対象の物質の濃度を算出してもよい。
【００４３】
制御部５０は、各部の動作を制御する制御機能を有し、必要に応じて、各部の動作を制御する。なお、制御部５０は、計測手段１４の制御のみならず、濃度計測装置１０の全体の動作を制御する。つまり、制御部５０は、濃度計測装置１０の動作を制御する制御部である。濃度計測装置１０は、以上のような構成である。
【００４４】
濃度計測装置１０は、以上のように、計測セル１２として中空ファイバ２０を用いることで、測定光Ｌを中空ファイバ２０の反射部２０ｂで反射させつつ、中空ファイバ２０の端部から端部まで案内することができる。これにより、濃度計測装置１０は、計測セル１２内のサンプル排ガスＢが流れる領域で測定光Ｌが漏れることを抑制することができる。また、計測セル１２内のサンプル排ガスＢが流れる領域として、中空ファイバ２０を用いることで、一方の端部を測定光Ｌの入射部、他方の端部を測定光Ｌの出射部とし、その他の領域は測定光Ｌを反射する領域とすることができる。これにより、中空ファイバ２０内で測定光Ｌの経路が変化しても、例えば中空ファイバ２０が変形し測定光Ｌの反射位置が変化しても他方の端部から測定光Ｌを出射させることができる。したがって、計測セル１２に入射した測定光Ｌが出射する位置を一定の位置にすることができ、測定光Ｌをより確実に受光部４４に入射させることができる。このように、濃度計測装置１０は、測定光Ｌをより高い精度で受光部４４に入射させることで計測精度を高くすることができる。
【００４５】
また、計測手段１４の発光部４０から中空ファイバ２０までの測定光Ｌの案内経路として第１光ファイバ３２を設け、中空ファイバ２０から受光部４４までの測定光Ｌの案内経路として第２光ファイバ３４を設けることで、計測セル１２である中空ファイバ２０を排気管４の近傍に配置することができる。これにより、流入管２２を短くすることができ、排気管４を流れる排ガスＡを取得してから、測定対象の物質の濃度を計測するまでの時間を短くすることができ、濃度の計測の応答性を高くすることができる。このように、計測の応答性を高くすることで、計測結果に基づいたエンジン２の制御や、排ガスＡの処理をより高い精度で行うことができる。
【００４６】
また、濃度計測装置１０は、上記構成とすることで、計測対象の排ガスＡを発生させるエンジン２や排気管４等による熱や振動の影響によって測定の精度が低下することを抑制することができる。具体的には、中空ファイバ２０を用いることで、計測セル１２が振動したり、加熱されたりしても、測定光Ｌを確実に受光部４４に入射させることができる。また、第１光ファイバ３２、第２光ファイバ３４を用いることで、電子部品である制御ユニット３６を計測セル１２と一定距離離れた位置に配置しつつ、測定光Ｌを高い精度で案内することができる。これにより、制御ユニット３６がエンジン２や排気管４等による熱や振動の影響を受けることを抑制することができる。
【００４７】
なお、上記実施形態では、ＴＤＬＡＳ方式を用いて、測定対象の物質の濃度を計測したが、計測方法はこれに限定されない。測定方法としては、中空ファイバ２０を流れる測定対象の流体（本実施形態ではサンプル排ガスＢ）に測定光Ｌを照射し、中空ファイバ２０を通過した測定光Ｌを受光部４４で受光し、中空ファイバ２０に入射させた測定光と、中空ファイバ２０から出力される測定光Ｌとに基づいて測定対象の物質の濃度を計測する種々の計測方法を用いることができる。なお、濃度計測装置１０は、ＴＤＬＡＳ方式のように、測定光Ｌとして、測定対象の物質に固有の吸収が生じる波長を含むレーザ光を用い、計測セル１２を通過することで生じる測定光Ｌの特定の波長成分の吸収を計測することで濃度を計測する方法（レーザ吸収法、半導体レーザ吸収法）を用いることが好ましい。
【００４８】
第１光ファイバ３２は、径を中空ファイバ２０の中空部分の径よりも小さくすることが好ましい。このように第１光ファイバ３２の径を中空ファイバ２０の中空部分の径よりも小さくすることで、第１光ファイバ３２から出射される測定光Ｌを漏れなく、確実に中空ファイバ２０に入射させることができる。
【００４９】
ここで、図９は、第１光ファイバの他の実施形態の概略構成を示す模式図である。図９に示すように、第１光ファイバ１０２は、中空ファイバ２０に測定光Ｌを入射させる先端部１０２ａ、つまり中空ファイバ２０の内部と対面している端部１０２ａを、端部に向かうに従って幅が小さくなる錘形状とすることが好ましい。このように、端部１０２ａを錘形状とすることで、第１光ファイバ１０２から測定光Ｌを出射させる部分に集光機能を持たせることができる。これにより、第１光ファイバ１０２は、内部を通過する測定光Ｌを一旦集光させた後、中空ファイバ２０に向けて出射することができ、中空ファイバ２０により好適に測定光Ｌを入射させることができる。これにより、中空ファイバ２０での測定光Ｌの光伝搬特性を向上させることができる。
【００５０】
図１０および図１１は、中空ファイバと第２光ファイバとの関係を示す模式図である。なお、図１０および図１１では、出光部の図示は省略した。ここで、図１０に示す中空ファイバ２０と第２光ファイバ１１０との関係は、中空ファイバ２０の中空部分の径をｄ１とし、第２光ファイバ１１０の径をｄ２とすると、ｄ１＞ｄ２となる。これに対して、中空ファイバ２０と第２光ファイバ１１２との関係は、中空ファイバ２０の中空部分の径をｄ１とし、第２光ファイバ１１２の径をｄ３とすると、ｄ１＜ｄ３となる。ここで、濃度計測装置は、中空ファイバと第２光ファイバとの関係を、図１１に示すように、ｄ１＜ｄ３とすることが好ましい。このように、第２光ファイバ１１２の径を中空ファイバ２０の内径よりも大きくすることで、中空ファイバ２０から出射される光をより確実に第２光ファイバ１１２に入射させることができる。
【００５１】
ここで、中空ファイバ２０の中空部分の径ｄ１と第２光ファイバ１１２の径ｄ３との関係は、１＜ｄ３／ｄ１＜１．５とすることがより好ましい。中空ファイバ２０の中空部分の径ｄ１と第２光ファイバ１１２の径ｄ３との関係が上記範囲とすることで、測定光Ｌをより好適に第２光ファイバ１１２に入射させることができる。
【００５２】
図１２は、濃度計測装置の他の実施形態の概略構成を示す模式図である。なお、図１２に示す濃度計測装置１２０では、中空ファイバと第２光ファイバと第１光ファイバと発光部のみを示す。濃度計測装置１２０は、発光部と第１光ファイバとを複数組備える点以外は基本的に濃度計測装置１０と同様である。濃度計測装置１２０は、中空ファイバ２０と第２光ファイバ３４と第１光ファイバ１２２、１２４、１２６と、発光部１３２、１３４、１３６と、を有する。なお、中空ファイバ２０と第２光ファイバ３４とは、濃度計測装置１０の各部と同様の構成である。
【００５３】
第１光ファイバ１２２は、一方の端部が発光部１３２と連結し、他方の端部が中空ファイバ２０の内面と対面している。第１光ファイバ１２４は、一方の端部が発光部１３４と連結し、他方の端部が中空ファイバ２０の内面と対面している。第１光ファイバ１２６は、一方の端部が発光部１３６と連結し、他方の端部が中空ファイバ２０の内面と対面している。従って、中空ファイバ２０の一方の端部には、第１光ファイバ１２２、１２４、１２６の３本の光ファイバが挿入されている。濃度計測装置１２０は、入光部２６の蓋に３本の光ファイバを挿入することで、第１光ファイバが複数の場合でもそれぞれの第１光ファイバを中空ファイバ２０の内面と対面させることができる。
【００５４】
発光部１３２は、測定光Ｌとして、所定波長のレーザ光を出力（発光）させる発光素子を有する。発光部１３２は、測定光Ｌを第１光ファイバ１２２に入射させる。発光部１３４は、測定光Ｌとして、所定波長のレーザ光を出力（発光）させる発光素子を有する。発光部１３４は、測定光Ｌを第１光ファイバ１２４に入射させる。発光部１３６は、測定光Ｌとして、所定波長のレーザ光を出力（発光）させる発光素子を有する。発光部１３６は、測定光Ｌを第１光ファイバ１２６に入射させる。
【００５５】
ここで、発光部１３２と発光部１３４と発光部１３６とは、それぞれ異なる測定対象の物質（ガス）が吸収する波長を含む波長域のレーザ光を出力する。つまり、発光部１３２と発光部１３４と発光部１３６とは、それぞれ異なる測定対象の物質（ガス）を測定することができるレーザ光を測定光Ｌとして出力する。
【００５６】
なお、第１光ファイバ１２２と発光部１３２のユニット、第１光ファイバ１２４と発光部１３４のユニット、第１光ファイバ１２６と発光部１３６のユニットは、中空ファイバ２０に入射させる測定光Ｌが異なる以外は基本的に同様の構成であるが、１つをメインユニットとすると他の２つのユニットはサブユニットということができる。つまり、第１光ファイバをサブ第１光ファイバ、発光部をサブ発光部ということができる。
【００５７】
中空ファイバ２０は、３つの第１光ファイバ１２２、１２４、１２６からそれぞれ測定光Ｌが入射される。中空ファイバ２０に入射した測定光Ｌは、一方の端部から他方の端部まで進み、他方の端部に連結された第２光ファイバ３４に入射する。第２光ファイバ３４に入射した光は制御ユニット３６の受光部４４に入射する。濃度計測装置１２０は、受光部４４で受光した受光信号から、それぞれの測定光Ｌに対応する吸収波長の成分を抽出し、吸収波長の成分の強度に基づいて対象物質の濃度を計測する。
【００５８】
濃度計測装置１２０は、３組のユニットを用いて、３種類の測定光Ｌを入射可能とすることで、３つの異なる対象物質の濃度を計測することができる。また、測定光Ｌとして、異なる波長域の光を用いることで、１つの第２光ファイバ３４と受光部４４とで複数の測定対象の物質の濃度を計測することができる。また、発光部毎に第１光ファイバを設けることで発光部から出射された測定光が減衰することを抑制することができる。これにより発光部から出力された測定光Ｌのうち、中空ファイバ２０に入射する測定光Ｌの割合をより多くすることができ、効率よく濃度の計測を行うことができる。
【００５９】
図１３は、計測セルの他の実施形態の概略構成を示す模式図である。図１４は、図１３に示す計測セルの連結部を拡大して示す拡大断面図である。図１５は、計測セルの連結部を拡大して示す拡大外観図である。濃度計測装置２００は、計測セル２０１と、第１光ファイバ３２と、第２光ファイバ３４と、を有する。図１３に示す濃度計測装置２００では、制御ユニットの図示を省略する。また、第１光ファイバ３２と第２光ファイバ３４と制御ユニット（図示省略）とは、濃度計測装置１０の各部と同様の構成である。
【００６０】
計測セル２０１は、第１中空ファイバ２０２と、第２中空ファイバ２０４と、連結部２１０と、流入管２２２Ａと、流入管２２２Ｂと、流出管２２４と、入光部２２６と、出光部２２８と、を有する。計測セル２０１は、排気管４を流れる排ガスＡの一部をサンプル排ガスＢとして流入管２２２Ａ、２２２Ｂで取得し、流入管２２２Ａで取得したサンプル排ガスＢを第１中空ファイバ２０２に供給し、流入管２２２Ｂで取得したサンプル排ガスＢを第２中空ファイバ２０４に供給し、第１中空ファイバ２０２または第２中空ファイバ２０４を流れたサンプル排ガスＢは、連結部２１０に連結した流出管２２４から排出される。なお、測定光Ｌは、第１光ファイバ３２から入光部２２６に入射し、入光部２２６、第１中空ファイバ２０２、連結部２１０、第２中空ファイバ２０４、出光部２２８の順で通過し、出光部２２８から第２光ファイバ３４に入射される。以下、各部の構成について説明する。
【００６１】
第１中空ファイバ２０２と第２中空ファイバ２０４とは、ともにフレキシブルなチューブであり、中空ファイバ２０と同様に排気管４（図示省略）の外周に巻きつけて配置されている。第１中空ファイバ２０２と第２中空ファイバ２０４とは、中空ファイバ２０と同様の構成であり、中空の円管部と、円管部の内壁の全面に配置された反射部とで構成される。第１中空ファイバ２０２と第２中空ファイバ２０４とは、内部にサンプル排ガスＢを流通し、後述する測定光Ｌを反射部で反射させる。
【００６２】
連結部２１０は、図１３および図１４に示すように、第１中空ファイバ２０２の他方の端部と第２中空ファイバ２０４の他方の端部とを連結している。なお、第１中空ファイバ２０２の他方の端部と第２中空ファイバ２０４の他方の端部とは、流入管２２２Ａと流入管２２２Ｂと連結していない側の端部である。連結部２１０は、筒状の形状であり、第１中空ファイバ２０２の他方の端部と第２中空ファイバ２０４の他方の端部とが向かい合う（対面する）位置で、第１中空ファイバ２０２と第２中空ファイバ２０４とを支持している。また、連結部２１０は、図１４および図１５に示すように、流出管２２４と連結した開口２１２が形成されている。連結部２１０は、第１中空ファイバ２０２の他方の端部と第２中空ファイバ２０４の他方の端部から排出されるサンプル排ガスＢを開口２１２から流出管２２４に排出する。また、第１中空ファイバ２０２に入射された測定光Ｌは、連結部２１０で向かい合うように配置された第１中空ファイバ２０２の他方の端部から第２中空ファイバ２０４の他方の端部に入射する。
【００６３】
流入管２２２Ａは、配管であり、一方の端部が排気管４に挿入され、他方の端部が入光部２２６を介して第１中空ファイバ２０２と連結している。流入管２２２Ａは、一方の端部から排気管４を流れる排ガスＡの一部がサンプル排ガスＢとして供給され、供給されたサンプル排ガスＢを他方の端部から第１中空ファイバ２０２に供給する。流入管２２２Ｂは、配管であり、一方の端部が排気管４に挿入され、他方の端部が出光部２２８を介して第２中空ファイバ２０４と連結している。流入管２２２Ｂは、一方の端部から排気管４を流れる排ガスＡの一部がサンプル排ガスＢとして供給され、供給されたサンプル排ガスＢを他方の端部から第２中空ファイバ２０４に供給する。なお、流入管２２２Ａと流入管２２２Ｂとは、排気管４に挿入され、一方の端部を共通の配管とし、その後分岐する形状としてもよい。
【００６４】
流出管２２４は、配管であり、一方の端部が連結部２１０を介して第１中空ファイバ２０２および第２中空ファイバ２０４と連結され、他方の端部が開放されている。流出管２２４は、一方の端部から第１中空ファイバ２０２および第２中空ファイバ２０４を流れるサンプル排ガスＢが供給され、供給されたサンプル排ガスＢを他方の端部から排出する。また、図示を省略するが流出管２２４には、吸引ポンプが配置されており、流出管２２４内の空気を一方の端部から他方の端部側へ吸引する。
【００６５】
入光部２２６は、流入管２２２Ａと第１中空ファイバ２０２の一方の端部とを連結している。また、入光部２２６は、第１光ファイバ３２が挿入されている。入光部２２６は、上述した入光部２６と同様の形状であり、中空ファイバ２０の一方の端部を塞ぐ蓋であり、蓋の一部に第１光ファイバ３２が挿入されている。入光部２２６は、流入管２２２Ａから供給されるサンプル排ガスＢを第１中空ファイバ２０２に流入させる。また、入光部２２６は、第１光ファイバ３２から照射される測定光Ｌを、第１中空ファイバ２０２に供給する。
【００６６】
出光部２２８は、第２中空ファイバ２０４の一方の端部と流入管２２２Ｂとを連結している。また、出光部２２８は、第２光ファイバ３４が挿入されている。出光部２２８は、接続されている配管が流出管２４から流入管２２２Ｂに代わった点を除いて上述した出光部２８と同様の構成であり、第２中空ファイバ２０４の一方の端部を塞ぐ蓋であり、蓋形状の一部に第２光ファイバ３４が挿入されている。出光部２２８は、流入管２２２Ｂから供給されるサンプル排ガスＢを第２中空ファイバ２０４に流入させる。また、出光部２２８は、第２中空ファイバ２０４内を進む測定光Ｌが、第２光ファイバ３４に到達し、第２光ファイバ３４に入射する。
【００６７】
計測セル２０１は、以上のような構成であり、吸引ポンプ２５を駆動し、流出管２２４の空気を吸引することで、排気管４内を流れる排ガスＡを流入管２２２Ａと流入管２２２Ｂに吸い込む空気の流れを形成する。これにより、排気管４内を流れる排ガスＡの一部は、サンプル排ガスＢとして流入管２２２Ａおよび流入管２２２Ｂに流入する。流入管２２２Ａに流入したサンプル排ガスＢは、入光部２２６から第１中空ファイバ２０２に供給される。第１中空ファイバ２０２に供給されたサンプル排ガスＢは、第１中空ファイバ２０２の端部から端部まで流れ、連結部２１０の開口２１２から流出管２２４に排出される。また、流入管２２２Ｂに流入したサンプル排ガスＢは、出光部２２８から第２中空ファイバ２０４に供給される。第２中空ファイバ２０４に供給されたサンプル排ガスＢは、第２中空ファイバ２０４の端部から端部まで流れ、連結部２１０の開口２１２から流出管２２４に排出される。また、流出管２２４に供給されたサンプル排ガスＢは、流出管２２４の他方の端部から外部に排出される。これにより、計測セル２０１は、サンプル排ガスＢを第１中空ファイバ２０２内と第２中空ファイバ２０４内に流すことができる。
【００６８】
また、計測セル２０１は、第１中空ファイバ２０２の一方の端部に入光部２２６と第１光ファイバ３２が接続され、第２中空ファイバ２０４の一方の端部に出光部２２８と第２光ファイバ３４が接続され、第１中空ファイバ２０２の他方の端部に第２中空ファイバ２０４の他方の端部とが対面した状態で連結部２１０によって支持されている。これにより、測定光Ｌは、第１光ファイバ３２から入光部２２６に入射し、入光部２２６、第１中空ファイバ２０２、連結部２１０、第２中空ファイバ２０４、出光部２２８の順で通過し、出光部２２８から第２光ファイバ３４に入射される。
【００６９】
濃度計測装置２００は、以上のような構成であり、２つの流入管２２２Ａ、２２２Ｂを設け、第１中空ファイバ２０２と第２中空ファイバ２０４に対してそれぞれにサンプル排ガスＢを供給する。また、濃度計測装置２００は、測定光Ｌを第１中空ファイバ２０２の一方の端部から入射し、第１中空ファイバ２０２の他方の端部から第２中空ファイバ２０４の他方の端部に入射させ、第２中空ファイバ２０４の一方の端部から出射させる。濃度計測装置２００は、これにより、測定光Ｌが通過するサンプル排ガスＢの距離をより長くすることができる。また、第１中空ファイバ２０２と第２中空ファイバ２０４に対してそれぞれにサンプル排ガスＢを供給することで、第１中空ファイバ２０２と第２中空ファイバ２０４を流れる排ガスＢの供給される時間帯を長くすることなく、測定光Ｌが通過するサンプル排ガスＢの距離をより長くすることができる。これにより、所定の時間帯のサンプル排ガスＢの濃度をより高い精度で計測することができる。
【００７０】
ここで、図１６は、計測セルの連結部を拡大して示す拡大断面図である。図１７は、計測セルの連結部を拡大して示す拡大外観図である。濃度計測装置２００のように、第１中空ファイバ２０２と第２中空ファイバ２０４の２つの中空ファイバを組み合わせる場合は、図１６および図１７に示すように、第２中空ファイバ２０４ａの径（中空部分の径）を、第１中空ファイバ２０２ａの径（中空部分の径）よりも大きくすることが好ましい。つまり、連結部２３０において、計測光Ｌが出射される側の第１中空ファイバ２０２ａの径を、計測光Ｌが入射される側の第２中空ファイバ２０４ａの径よりも小さくすることで、第１中空ファイバ２０２ａから出射した測定光Ｌをより確実に第２中空ファイバ２０４ａに入射させることができる。なお、この場合、連結部２３０は、第１中空ファイバ２０２ａ側から第２中空ファイバ２０４ａに向かうに従って径が大きくなる部分を設けることで第１中空ファイバ２０２ａと第２中空ファイバ２０４ａとを連結することができる。なお、この場合も連結部２３０には開口２３２を形成し、開口２３２からサンプル排ガスＢを排出する。
【００７１】
なお、上記実施形態では、出光部または連結部に流出管を接続し、中空ファイバを通過したサンプル排ガスＢ（流体）を流出管に供給したがこれに限定されない。濃度計測装置は、中空ファイバの終端（サンプル排ガスＢの流れ方向の下流側の端部）からそのままサンプル排ガスＢを排出してもよく、連結部の開口からサンプル排ガスＢをそのまま排出してもよい。つまり、流出管は必ずも設けなくてもよい。
【符号の説明】
【００７２】
２ エンジン
４ 排気管
１０ 濃度計測装置
１２ 計測セル
１４ 計測手段
２０ 中空ファイバ
２２ 流入管
２４ 流出管
２５ 吸引ポンプ
２６ 入光部
２８ 出光部
３２ 第１光ファイバ
３４ 第２光ファイバ
３６ 制御ユニット
４０ 発光部
４４ 受光部
４６ 光源ドライバ
４８ 算出部
５０ 制御部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ光を測定光として用いて測定対象のガスの濃度を計測する濃度計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
管路内を流れるガス（気体）を分析する方法として、レーザ光を測定光として用いる方法がある。例えば、特許文献１および特許文献２には、内燃機関から排出される排ガスにレーザ光を照射し、排ガス中を透過したレーザ光を受光し、受光されたレーザ光に基づいて排ガス中に含まれる成分の濃度を測定する排ガス分析方法が記載されている。特許文献１は、排ガス中の物質がレーザ光を吸収する吸収スペクトルを計測することで、当該物質の濃度の計測を行う。特許文献２は、レーザ光が排ガス中の物質に照射されることで発生するミー散乱光を計測することで、該物質の濃度の計測を行う。
【０００３】
また、特許文献３には、測定容積部へ光を導入するための少なくとも１つの光源と、測定容積部を通過する光を受信するために、測定容積部に対して光源の光伝搬方向でほぼ向かい合う少なくとも１つの光受信器とを備え、測定ガス容積部の中の１つまたは複数の目標ガスの濃度を評価ユニットによって求めることができるガス吸収測定のための光学測定セルであって、測定容積部は、内径が実質的に１ｍｍよりも小さい中空ファイバの内部容積によって構成されている光学測定セルが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４１９９７６６号公報
【特許文献２】特許第４２２７９９１号公報
【特許文献３】特表２０１０−５１０５０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１および特許文献２に記載されているように、レーザ光を用いて計測セルを流れる流体に含まれる測定対象の物質（成分）の濃度を計測することで、測定対象の物質の濃度を高い精度で計測することができる。また、特許文献１から特許文献３に記載のように、レーザ光を用いて濃度を計測することで、短時間で濃度を計測することができ、高い応答性で流体中に含まれる測定対象の物質の濃度を計測することができる。
【０００６】
しかしながら、特許文献１および特許文献２に記載されているように計測セルにレーザ光を入射する構成では、測定条件によってレーザ光の経路が変化しレーザ光の到達位置が変化し、計測精度が低下する恐れがある。また、特許文献３に記載されているように中空ファイバで構成される計測セルを計測対象の流体を排出する配管から離れた位置に配置すると、応答性の向上に限界がある。
【０００７】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、測定対象の物質の濃度を高い応答性かつ高い精度で検出することができる濃度計測装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、対象配管を流れる流体に含まれる対象物質の濃度を計測する濃度計測装置であって、前記流体が通過する中空ファイバと、前記対象配管と連結し、前記流体を前記中空ファイバの一方の端部に供給する流入管と、測定対象の物質に固有の九州が生じる波長を含む波長域の測定光を出力する発光部と、前記中空ファイバの一方の端部に連結され、前記発光部から出力された測定光を案内し前記中空ファイバに入射させる第１光ファイバと、前記中空ファイバの他方の端部に連結され、前記中空ファイバを通過した測定光が入射する第２光ファイバと、前記第２光ファイバを案内される測定光を受光する受光部と、前記受光部が受光した受光信号に基づいて前記流体に含まれる測定対象の物質の濃度を算出する算出部と、を有することを特徴とする。
【０００９】
ここで、前記中空ファイバは、前記対象配管に隣接していることが好ましい。
【００１０】
また、前記中空ファイバは、前記流体を発生させる発生源または前記対象配管で生じる熱および振動の影響を受ける位置に配置されることが好ましい。
【００１１】
前記中空ファイバの他方の端部に連結し、前記流体を前記中空ファイバから排出する流出管を、さらに有することが好ましい。
【００１２】
また、前記中空ファイバの一方の端部と、前記流入管および第１光ファイバとを連結する入光部と、前記中空ファイバの他方の端部と、前記流出管および第２光ファイバとを連結する出光部と、をさらに有することが好ましい。
【００１３】
また、前記測定光は、近赤外または中赤外の波長域のレーザ光であることが好ましい。
【００１４】
また、前記第１光ファイバは、径が前記中空ファイバの中空部分の径よりも小さいことが好ましい。
【００１５】
また、前記第２光ファイバは、径が前記中空ファイバの中空部分の径よりも大きいことが好ましい。
【００１６】
また、前記発光部とは異なる測定対象の物質に固有の吸収が生じる波長を含む波長域のサブ測定光を出力するサブ発光部および前記中空ファイバの一方の端部に連結され、前記サブ発光部から出力されたサブ測定光を案内し前記中空ファイバに入射させるサブ第１光ファイバとを備えるサブユニットを１つ以上備えることが好ましい。
【００１７】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、対象配管を流れる流体に含まれる対象物質の濃度を計測する濃度計測装置であって、前記流体が通過する第１中空ファイバと、前記対象配管と連結し、前記流体を前記第１中空ファイバの一方の端部に供給する第１流入管と、前記流体が通過する第２中空ファイバと、前記対象配管と連結し、前記流体を前記第２中空ファイバの一方の端部に供給する第２流入管と、前記第１中空ファイバの他方の端部と前記第２中空ファイバの他方の端部とを向かい合わせて前記第１中空ファイバと前記第２中空ファイバとを連結し、かつ、前記第１中空ファイバおよび第２中空ファイバを流れた前記流体を排出する開口を備える連結部と、測定対象の物質に固有の吸収が生じる波長を含む波長域の測定光を出力する発光部と、前記第１中空ファイバの一方の端部に連結され、前記発光部から出力された測定光を案内し前記第１中空ファイバに入射させる第１光ファイバと、前記第２中空ファイバの他方の端部に連結され、前記第１中空ファイバおよび前記第２中空ファイバを通過した測定光が入射する第２光ファイバと、前記第２光ファイバを案内される測定光を受光する受光部と、前記受光部が受光した受光信号に基づいて前記流体に含まれる測定対象の物質の濃度を算出する算出部と、を有することを特徴とする。
【００１８】
ここで、前記第２中空ファイバは、中空部分の径が、前記第１中空ファイバの中空部分の径よりも大きいことが好ましい。
【００１９】
また、測定対象の物質に固有の吸収が生じる波長は、測定対象の物質に固有な吸収波長であることが好ましい。
【発明の効果】
【００２０】
本発明にかかる濃度計測装置は、測定対象の物質の濃度を高い応答性かつ高い精度で検出することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１は、濃度計測装置の一実施形態の概略構成を示す模式図である。
【図２】図２は、図１に示す濃度計測装置の計測セルを拡大して示す拡大模式図である。
【図３】図３は、中空ファイバの概略構成を示す模式図である。
【図４】図４は、入光部の概略構成を示す断面図である。
【図５】図５は、入光部の概略構成を示す外観図である。
【図６】図６は、出光部の概略構成を示す断面図である。
【図７】図７は、出光部の概略構成を示す外観図である。
【図８】図８は、制御ユニットの概略構成を示す模式図である。
【図９】図９は、第１光ファイバの他の実施形態の概略構成を示す模式図である。
【図１０】図１０は、中空ファイバと第２光ファイバとの関係を示す模式図である。
【図１１】図１１は、中空ファイバと第２光ファイバとの関係を示す模式図である。
【図１２】図１２は、濃度計測装置の他の実施形態の概略構成を示す模式図である。
【図１３】図１３は、計測セルの他の実施形態の概略構成を示す模式図である。
【図１４】図１４は、図１３に示す計測セルの連結部を拡大して示す拡大断面図である。
【図１５】図１５は、計測セルの連結部を拡大して示す拡大外観図である。
【図１６】図１６は、計測セルの連結部を拡大して示す拡大断面図である。
【図１７】図１７は、計測セルの連結部を拡大して示す拡大外観図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下に、本発明にかかる濃度計測装置の一実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。なお、濃度計測装置は、流路を流れる種々の気体（ガス）、液体等の流体に含まれる測定対象物質の濃度を計測することができる。濃度計測装置は、例えば、ディーゼルエンジンに取り付け、ディーゼルエンジンから排出される排ガスに含まれる窒素酸化物、硫化酸化物、一酸化炭素、二酸化炭素、アンモニア等の濃度等を計測してもよい。なお、測定対象のガスを排出（供給）する装置は、これに限定されず、ガソリンエンジンや、ガスタービン等種々の内燃機関に用いることができる。また、内燃機関を有する装置としては、車両、船舶、発電機等種々の装置が例示される。さらに、濃度計測装置は、ゴミ焼却炉、ボイラ等の燃焼機器から排出される排ガスに含まれる測定対象物質の濃度等を計測することもできる。なお、以下の実施形態では、配管を流れる排ガスに含まれる測定物質の濃度を計測する場合として説明する。
【００２３】
図１は、濃度計測装置の一実施形態の概略構成を示す模式図である。図２は、図１に示す濃度計測装置の計測セルを拡大して示す拡大模式図である。図３は、中空ファイバの概略構成を示す模式図である。図４は、入光部の概略構成を示す断面図である。図５は、入光部の概略構成を示す外観図である。図６は、出光部の概略構成を示す断面図である。図７は、出光部の概略構成を示す外観図である。図８は、制御ユニットの概略構成を示す模式図である。
【００２４】
濃度計測装置１０は、エンジン２から排出され排気管４を流れる排ガス（液体）Ａに含まれる測定対象の物質（成分）の濃度を計測する。なお、エンジン２は、上述したようにディーゼルエンジン、ガソリンエンジン等の種々のエンジンを用いることができる。図１に示すように濃度計測装置１０は、排ガスＡの一部を測定対象のサンプル排ガスＢとして流通させる計測セル１２と、計測セル１２の内部に測定光を照射することで、サンプル排ガスＢに含まれる測定対象の物質の濃度を計測する計測手段１４と、を有する。
【００２５】
計測セル１２は、図１および図２に示すように、中空ファイバ２０と、流入管２２と、流出管２４と、吸引ポンプ２５と、入光部２６と、出光部２８と、を有する。計測セル１２は、排気管４を流れる排ガスＡの一部をサンプル排ガスＢとして流入管２２で取得し、流入管２２で取得したサンプル排ガスＢを中空ファイバ２０に供給し、中空ファイバ２０を流れたサンプル排ガスＢは、流出管２４から排出される。
【００２６】
中空ファイバ２０は、フレキシブルなチューブであり、本実施形態では排気管４の外周に巻きつけて配置されている。中空ファイバ２０は、図３に示すように、中空の円管部２０ａと、円管部２０ａの内壁の全面に配置された反射部２０ｂとで構成される。中空ファイバ２０は、内部にサンプル排ガスＢを流通し、後述する測定光Ｌを反射部２０ｂで反射させる。なお、中空ファイバ２０は、円管部２０ａの内壁に銀やアルミニウム等を蒸着することで反射部２０ｂを形成する。
【００２７】
流入管２２は、配管であり、一方の端部が排気管４に挿入され、他方の端部が入光部２６を介して中空ファイバ２０と連結している。流入管２２は、一方の端部から排気管４を流れる排ガスＡの一部がサンプル排ガスＢとして供給され、供給されたサンプル排ガスＢを他方の端部から中空ファイバ２０に供給する。
【００２８】
流出管２４は、配管であり、一方の端部が出光部２８を介して中空ファイバ２０と連結され、他方の端部が開放されている。また、流出管２４は、一方の端部から中空ファイバ２０を流れるサンプル排ガスＢが供給され、供給されたサンプル排ガスＢを他方の端部から排出する。
【００２９】
吸引ポンプ２５は、流出管２４に配置されており、流出管２４内の空気を一方の端部から他方の端部側へ吸引する。
【００３０】
入光部２６は、流入管２２と中空ファイバ２０の一方の端部とを連結している。また、入光部２６は、後述する計測手段１４の第１光ファイバ３２が挿入されている。入光部２６は、図４および図５に示すように、中空ファイバ２０の一方の端部を塞ぐ蓋であり、蓋の一部に第１光ファイバ３２が挿入されている。入光部２６は、流入管２２と連結しかつ中空ファイバ２０の内部の空洞と連結している開口２６ａが形成されている。なお、開口２６ａの数は特に限定されない。入光部２６は、流入管２２から供給されるサンプル排ガスＢが開口部２６ａから中空ファイバ２０に流入する。また、入光部２６は、第１光ファイバ３２の端面が、中空ファイバ２０の内部空間と対面する位置で露出するように第１光ファイバ３２を支持している。これにより、第１光ファイバ３２から照射される測定光Ｌは、中空ファイバ２０に供給される。
【００３１】
出光部２８は、中空ファイバ２０の他方の端部と流出管２４とを連結している。また、出光部２８は、後述する計測手段１４の第２光ファイバ３４が挿入されている。出光部２８は、図６および図７に示すように、中空ファイバ２０の他方の端部を塞ぐ蓋であり、蓋形状の一部に第２光ファイバ３４が挿入されている。出光部２８は、流出管２４と連結しかつ中空ファイバ２０の内部の空洞と連結している開口２８ａが形成されている。出光部２８は、中空ファイバ２０から供給されるサンプル排ガスＢが開口部２８ａから流出管２４に流入する。また、出光部２８は、第２光ファイバ３４の端面が、中空ファイバ２０の内部空間と対面する位置で露出するように第２光ファイバ３４を支持している。これにより、中空ファイバ２０内を進む測定光Ｌは、第２光ファイバ３４に到達し、第２光ファイバ３４に入射する。
【００３２】
計測セル１２は、以上のような構成であり、吸引ポンプ２５を駆動し、流出管２４の空気を吸引することで、排気管４内を流れる排ガスＡを流入管２２内に吸い込む空気の流れを形成する。これにより、排気管４内を流れる排ガスＡの一部は、サンプル排ガスＢとして流入管２２に流入し、入光部２６の開口２６ａから中空ファイバ２０に供給される。中空ファイバ２０に供給されたサンプル排ガスＢは、中空ファイバ２０の端部から端部まで流れ、出光部２８の開口２８ａから流出管２４に排出され、流出管２４から外部に排出される。これにより、計測セル１２は、サンプル排ガスＢを中空ファイバ２０内に流すことができる。なお、本実施形態では、流出管２４の他方の端部を大気に開放したが、排気管４と連結させてもよい。流出管２４の他方の端部を排気管４と連結させることで、サンプル排ガスＢを再び排気管４に戻すことができる。
【００３３】
次に、計測手段１４は、第１光ファイバ３２と、第２光ファイバ３４と、制御ユニット３６と、を有する。第１光ファイバ３２は、一方の端部が制御ユニット３６と連結し、他方の端部が中空ファイバ２０の内面と対面している。第１光ファイバ３２は、他方の端部の近傍が入光部２６に挿入され、支持されている。第１光ファイバ３２は、制御ユニット３６から出力された測定光Ｌを案内し、計測セル１２の中空ファイバ２０内に入射させる。
【００３４】
第２光ファイバ３４は、一方の端部が中空ファイバ２０の内面と対面し、他方の端部が制御ユニット３６と連結している。第２光ファイバ３４は、一方の端部の近傍が出光部２８に挿入され、支持されている。第２光ファイバ３４は、中空ファイバ２０から出力された測定光Ｌを案内し、計測セル１２の制御ユニット３６に入射させる。
【００３５】
制御ユニット３６は、発光部４０と、受光部４４と、光源ドライバ４６と、信号処理部４７と、算出部４８と、制御部５０と、を有する。なお、本実施形態では、信号処理部４７と、算出部４８と、を別々に設けたが一体で（１つの処理部として）設けてもよい。また、制御ユニット３６は、光源ドライバ４６と、信号処理部４７と算出部４８と制御部５０とを一体で（１つの処理部として）設けてもよい。
【００３６】
発光部４０は、測定光Ｌとして、所定波長のレーザ光を出力（発光）させる発光素子を有する。なお、発光部４０の発光素子は、測定光Ｌとして出力するレーザ光の出力波長を所定の波長幅（周波数幅）で設定した周波数で変化させることができる発光素子である。発光素子としては、波長可変の半導体レーザ素子（ＬＤ：Laser Diode）を用いることができる。発光部４０は、測定対象の物質（ガス）が吸収する波長（吸収波長）を含む波長域（好ましくは中赤外波長域（２．５μｍから４μｍ）、近赤外波長域（０．７μｍから２．５μｍ））のレーザ光を出力する。例えば、計測対象が一酸化窒素の場合、発光部４０は、一酸化窒素により吸収される近赤外波長域を含む波長域のレーザ光を出力する。また、計測対象が二酸化窒素の場合、発光部４０は、二酸化窒素により吸収される近赤外波長域の波長域を含むレーザ光を出力する。また、計測対象が亜酸化窒素の場合、発光部４０は、亜酸化窒素により吸収される近赤外波長域の波長域を含むレーザ光を出力する。なお、測定対象が複数の物質である場合、発光部４０は、夫々の物質が吸収する波長域の光を発光する発光素子を複数備え、それぞれの波長域の光を出力するようにしてもよい。また、発光部４０は、第１光ファイバ３２と連結しており、発光素子から出力させた測定光Ｌを第１光ファイバ３２に入射させる。
【００３７】
受光部４４は、計測セル１２の中空ファイバ２０の内部を通過し、第２光ファイバ３４から出力された測定光Ｌを受光する受光部である。なお、受光部４４は、例えば、フォトダイオード（ＰＤ、Photodiode）等の受光素子（光検出器）を備え、受光素子によって測定光（レーザ光）Ｌを受光し、その光の強度を検出する。受光部４４は、受光した測定光（レーザ光）の強度（光量）を受光信号として、信号処理部４７に送る。
【００３８】
光源ドライバ４６は、発光部４０を駆動する機能を有し、発光部４０に供給する電流、電圧を調整することで、発光部４０から出力されるレーザ光の波長、強度を調整する。光源ドライバ４６は、制御部５０を介して算出部４８に、発光部４０から出力しているレーザ光の強度の情報を出力する。なお、光源ドライバ４６は、発振器であり、電流、電圧を所定の波形で発光部４０に供給することで時間により波長が変化するレーザ光を出力させることができる。
【００３９】
ここで、光源ドライバ４６は、レーザ光の波長を一定の波長として出力してもよいが、設定された変調周波数でレーザ光の波長を振動させてもよい。発光部４０は、光源ドライバ４６により設定された変調周波数でレーザ光の波長が振動されることで、測定対象の物質が吸収する波長域（好ましくは中赤外波長域、近赤外波長域）を含む波長域のレーザ光を変調周波数で波長を変調しつつ出力することができる。なお、光源ドライバ４６は、発光部４０から出力する測定光（レーザ光）を、測定対象の物質が吸収する吸収波長を中心とした一定波長幅で波長を変調させることがより好ましい。この時の一定波長幅の波長の変動を周期的に行い、その変動の周期の周波数が変調周波数とする。本実施形態の光源ドライバ４６は、変調周波数として、８０ｋＨｚ以上の周波数、より好ましくは、１００ｋＨｚ以上の周波数を用いる。
【００４０】
信号処理部４７は、受光部４４が測定光Ｌを受光することで生成した信号（受光信号）を処理する。具体的には、信号処理部４７は、受光信号に含まれるノイズ成分を除去し、発光部４０から出力され受光部４４に到達したレーザ光の成分（つまり変調周波数に対応した信号成分）を抽出する。なお、抽出して生成される信号を以下スペクトル信号という。
【００４１】
算出部４８は、信号処理部４７から出力されたスペクトル信号に基づいて、計測セル１２を流れるサンプル排ガスＢに含まれる測定対象の物質の濃度を算出し、排出管４を流れる排ガスＡに含まれる測定対象の物質の濃度をする。算出部４８は、信号処理部４７から出力されたスペクトル信号と、制御部５０により光源ドライバ４６を駆動させている条件とに基づいて、計測対象の物質の濃度を算出する。具体的には、算出部４８は、制御部５０により光源ドライバ４６を駆動させている条件に基づいて発光部４０から出力される測定光Ｌの強度を算出し、信号処理部４７で生成されたスペクトル信号に基づいて受光した測定光Ｌの強度を算出する。算出部４８は、この発光した測定光Ｌの強度と受光した測定光Ｌの強度と比較し、サンプル排ガスＢに含まれる測定対象の物質の濃度を算出し、排ガスＡに含まれる測定対象の物質の濃度を算出する。
【００４２】
具体的には、発光部４０から出力された測定光Ｌは、第１光ファイバ３２から計測セル１２の所定経路、具体的には、入光部２６、中空ファイバ２０、出光部２８を通過した後、第２光ファイバ３４に入射し、第２光ファイバ３４から受光部４４に到達する。このとき、計測セル１２内のサンプル排ガスＢ中に測定対象の物質が含まれていると、計測セル１２を通過するレーザ光が吸収される。そのため、測定光Ｌは、サンプル排ガスＢ中の測定対象の物質の濃度によって、受光部４４に到達する測定光Ｌの出力が変化する。受光部４４は、受光した測定光Ｌを受光信号に変換する。受光部４４で生成された受光信号は、信号処理部４７で処理されスペクトル信号として算出部４８に入力される。また、制御部５０および光源ドライバ４６は、発光部４０から出力した測定光Ｌの強度を算出部４８に出力する。算出部４８は、発光部４０から出力した光の強度と、スペクトル信号から算出される強度とを比較し、その減少割合から計測セル１２内を流れるサンプル排ガスＢの測定対象物の濃度を算出する。このように計測手段１４は、いわゆるＴＤＬＡＳ方式（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy：可変波長ダイオードレーザー分光法）を用いることで、出力した測定光Ｌの強度と、受光部４４で検出した受光信号とに基づいて、サンプル排ガスＢの測定対象の物質の濃度を、算出および／または計測することができる。またサンプル排ガスＢの測定対象の物質の濃度を計測することで、排気管４を流れる排ガスＡに含まれる測定対象の物質の濃度を計測することができる。また、計測手段１４は、連続的に測定対象の物質の濃度を、算出および／または計測することができる。なお、濃度計測装置１０は、発光部４０から出力される測定光Ｌの強度を一定として、スペクトル信号のみに基づいてサンプル排ガスＢに含まれる測定対象の物質の濃度を算出してもよい。
【００４３】
制御部５０は、各部の動作を制御する制御機能を有し、必要に応じて、各部の動作を制御する。なお、制御部５０は、計測手段１４の制御のみならず、濃度計測装置１０の全体の動作を制御する。つまり、制御部５０は、濃度計測装置１０の動作を制御する制御部である。濃度計測装置１０は、以上のような構成である。
【００４４】
濃度計測装置１０は、以上のように、計測セル１２として中空ファイバ２０を用いることで、測定光Ｌを中空ファイバ２０の反射部２０ｂで反射させつつ、中空ファイバ２０の端部から端部まで案内することができる。これにより、濃度計測装置１０は、計測セル１２内のサンプル排ガスＢが流れる領域で測定光Ｌが漏れることを抑制することができる。また、計測セル１２内のサンプル排ガスＢが流れる領域として、中空ファイバ２０を用いることで、一方の端部を測定光Ｌの入射部、他方の端部を測定光Ｌの出射部とし、その他の領域は測定光Ｌを反射する領域とすることができる。これにより、中空ファイバ２０内で測定光Ｌの経路が変化しても、例えば中空ファイバ２０が変形し測定光Ｌの反射位置が変化しても他方の端部から測定光Ｌを出射させることができる。したがって、計測セル１２に入射した測定光Ｌが出射する位置を一定の位置にすることができ、測定光Ｌをより確実に受光部４４に入射させることができる。このように、濃度計測装置１０は、測定光Ｌをより高い精度で受光部４４に入射させることで計測精度を高くすることができる。
【００４５】
また、計測手段１４の発光部４０から中空ファイバ２０までの測定光Ｌの案内経路として第１光ファイバ３２を設け、中空ファイバ２０から受光部４４までの測定光Ｌの案内経路として第２光ファイバ３４を設けることで、計測セル１２である中空ファイバ２０を排気管４の近傍に配置することができる。これにより、流入管２２を短くすることができ、排気管４を流れる排ガスＡを取得してから、測定対象の物質の濃度を計測するまでの時間を短くすることができ、濃度の計測の応答性を高くすることができる。このように、計測の応答性を高くすることで、計測結果に基づいたエンジン２の制御や、排ガスＡの処理をより高い精度で行うことができる。
【００４６】
また、濃度計測装置１０は、上記構成とすることで、計測対象の排ガスＡを発生させるエンジン２や排気管４等による熱や振動の影響によって測定の精度が低下することを抑制することができる。具体的には、中空ファイバ２０を用いることで、計測セル１２が振動したり、加熱されたりしても、測定光Ｌを確実に受光部４４に入射させることができる。また、第１光ファイバ３２、第２光ファイバ３４を用いることで、電子部品である制御ユニット３６を計測セル１２と一定距離離れた位置に配置しつつ、測定光Ｌを高い精度で案内することができる。これにより、制御ユニット３６がエンジン２や排気管４等による熱や振動の影響を受けることを抑制することができる。
【００４７】
なお、上記実施形態では、ＴＤＬＡＳ方式を用いて、測定対象の物質の濃度を計測したが、計測方法はこれに限定されない。測定方法としては、中空ファイバ２０を流れる測定対象の流体（本実施形態ではサンプル排ガスＢ）に測定光Ｌを照射し、中空ファイバ２０を通過した測定光Ｌを受光部４４で受光し、中空ファイバ２０に入射させた測定光と、中空ファイバ２０から出力される測定光Ｌとに基づいて測定対象の物質の濃度を計測する種々の計測方法を用いることができる。なお、濃度計測装置１０は、ＴＤＬＡＳ方式のように、測定光Ｌとして、測定対象の物質に固有の吸収が生じる波長を含むレーザ光を用い、計測セル１２を通過することで生じる測定光Ｌの特定の波長成分の吸収を計測することで濃度を計測する方法（レーザ吸収法、半導体レーザ吸収法）を用いることが好ましい。
【００４８】
第１光ファイバ３２は、径を中空ファイバ２０の中空部分の径よりも小さくすることが好ましい。このように第１光ファイバ３２の径を中空ファイバ２０の中空部分の径よりも小さくすることで、第１光ファイバ３２から出射される測定光Ｌを漏れなく、確実に中空ファイバ２０に入射させることができる。
【００４９】
ここで、図９は、第１光ファイバの他の実施形態の概略構成を示す模式図である。図９に示すように、第１光ファイバ１０２は、中空ファイバ２０に測定光Ｌを入射させる先端部１０２ａ、つまり中空ファイバ２０の内部と対面している端部１０２ａを、端部に向かうに従って幅が小さくなる錘形状とすることが好ましい。このように、端部１０２ａを錘形状とすることで、第１光ファイバ１０２から測定光Ｌを出射させる部分に集光機能を持たせることができる。これにより、第１光ファイバ１０２は、内部を通過する測定光Ｌを一旦集光させた後、中空ファイバ２０に向けて出射することができ、中空ファイバ２０により好適に測定光Ｌを入射させることができる。これにより、中空ファイバ２０での測定光Ｌの光伝搬特性を向上させることができる。
【００５０】
図１０および図１１は、中空ファイバと第２光ファイバとの関係を示す模式図である。なお、図１０および図１１では、出光部の図示は省略した。ここで、図１０に示す中空ファイバ２０と第２光ファイバ１１０との関係は、中空ファイバ２０の中空部分の径をｄ１とし、第２光ファイバ１１０の径をｄ２とすると、ｄ１＞ｄ２となる。これに対して、中空ファイバ２０と第２光ファイバ１１２との関係は、中空ファイバ２０の中空部分の径をｄ１とし、第２光ファイバ１１２の径をｄ３とすると、ｄ１＜ｄ３となる。ここで、濃度計測装置は、中空ファイバと第２光ファイバとの関係を、図１１に示すように、ｄ１＜ｄ３とすることが好ましい。このように、第２光ファイバ１１２の径を中空ファイバ２０の内径よりも大きくすることで、中空ファイバ２０から出射される光をより確実に第２光ファイバ１１２に入射させることができる。
【００５１】
ここで、中空ファイバ２０の中空部分の径ｄ１と第２光ファイバ１１２の径ｄ３との関係は、１＜ｄ３／ｄ１＜１．５とすることがより好ましい。中空ファイバ２０の中空部分の径ｄ１と第２光ファイバ１１２の径ｄ３との関係が上記範囲とすることで、測定光Ｌをより好適に第２光ファイバ１１２に入射させることができる。
【００５２】
図１２は、濃度計測装置の他の実施形態の概略構成を示す模式図である。なお、図１２に示す濃度計測装置１２０では、中空ファイバと第２光ファイバと第１光ファイバと発光部のみを示す。濃度計測装置１２０は、発光部と第１光ファイバとを複数組備える点以外は基本的に濃度計測装置１０と同様である。濃度計測装置１２０は、中空ファイバ２０と第２光ファイバ３４と第１光ファイバ１２２、１２４、１２６と、発光部１３２、１３４、１３６と、を有する。なお、中空ファイバ２０と第２光ファイバ３４とは、濃度計測装置１０の各部と同様の構成である。
【００５３】
第１光ファイバ１２２は、一方の端部が発光部１３２と連結し、他方の端部が中空ファイバ２０の内面と対面している。第１光ファイバ１２４は、一方の端部が発光部１３４と連結し、他方の端部が中空ファイバ２０の内面と対面している。第１光ファイバ１２６は、一方の端部が発光部１３６と連結し、他方の端部が中空ファイバ２０の内面と対面している。従って、中空ファイバ２０の一方の端部には、第１光ファイバ１２２、１２４、１２６の３本の光ファイバが挿入されている。濃度計測装置１２０は、入光部２６の蓋に３本の光ファイバを挿入することで、第１光ファイバが複数の場合でもそれぞれの第１光ファイバを中空ファイバ２０の内面と対面させることができる。
【００５４】
発光部１３２は、測定光Ｌとして、所定波長のレーザ光を出力（発光）させる発光素子を有する。発光部１３２は、測定光Ｌを第１光ファイバ１２２に入射させる。発光部１３４は、測定光Ｌとして、所定波長のレーザ光を出力（発光）させる発光素子を有する。発光部１３４は、測定光Ｌを第１光ファイバ１２４に入射させる。発光部１３６は、測定光Ｌとして、所定波長のレーザ光を出力（発光）させる発光素子を有する。発光部１３６は、測定光Ｌを第１光ファイバ１２６に入射させる。
【００５５】
ここで、発光部１３２と発光部１３４と発光部１３６とは、それぞれ異なる測定対象の物質（ガス）が吸収する波長を含む波長域のレーザ光を出力する。つまり、発光部１３２と発光部１３４と発光部１３６とは、それぞれ異なる測定対象の物質（ガス）を測定することができるレーザ光を測定光Ｌとして出力する。
【００５６】
なお、第１光ファイバ１２２と発光部１３２のユニット、第１光ファイバ１２４と発光部１３４のユニット、第１光ファイバ１２６と発光部１３６のユニットは、中空ファイバ２０に入射させる測定光Ｌが異なる以外は基本的に同様の構成であるが、１つをメインユニットとすると他の２つのユニットはサブユニットということができる。つまり、第１光ファイバをサブ第１光ファイバ、発光部をサブ発光部ということができる。
【００５７】
中空ファイバ２０は、３つの第１光ファイバ１２２、１２４、１２６からそれぞれ測定光Ｌが入射される。中空ファイバ２０に入射した測定光Ｌは、一方の端部から他方の端部まで進み、他方の端部に連結された第２光ファイバ３４に入射する。第２光ファイバ３４に入射した光は制御ユニット３６の受光部４４に入射する。濃度計測装置１２０は、受光部４４で受光した受光信号から、それぞれの測定光Ｌに対応する吸収波長の成分を抽出し、吸収波長の成分の強度に基づいて対象物質の濃度を計測する。
【００５８】
濃度計測装置１２０は、３組のユニットを用いて、３種類の測定光Ｌを入射可能とすることで、３つの異なる対象物質の濃度を計測することができる。また、測定光Ｌとして、異なる波長域の光を用いることで、１つの第２光ファイバ３４と受光部４４とで複数の測定対象の物質の濃度を計測することができる。また、発光部毎に第１光ファイバを設けることで発光部から出射された測定光が減衰することを抑制することができる。これにより発光部から出力された測定光Ｌのうち、中空ファイバ２０に入射する測定光Ｌの割合をより多くすることができ、効率よく濃度の計測を行うことができる。
【００５９】
図１３は、計測セルの他の実施形態の概略構成を示す模式図である。図１４は、図１３に示す計測セルの連結部を拡大して示す拡大断面図である。図１５は、計測セルの連結部を拡大して示す拡大外観図である。濃度計測装置２００は、計測セル２０１と、第１光ファイバ３２と、第２光ファイバ３４と、を有する。図１３に示す濃度計測装置２００では、制御ユニットの図示を省略する。また、第１光ファイバ３２と第２光ファイバ３４と制御ユニット（図示省略）とは、濃度計測装置１０の各部と同様の構成である。
【００６０】
計測セル２０１は、第１中空ファイバ２０２と、第２中空ファイバ２０４と、連結部２１０と、流入管２２２Ａと、流入管２２２Ｂと、流出管２２４と、入光部２２６と、出光部２２８と、を有する。計測セル２０１は、排気管４を流れる排ガスＡの一部をサンプル排ガスＢとして流入管２２２Ａ、２２２Ｂで取得し、流入管２２２Ａで取得したサンプル排ガスＢを第１中空ファイバ２０２に供給し、流入管２２２Ｂで取得したサンプル排ガスＢを第２中空ファイバ２０４に供給し、第１中空ファイバ２０２または第２中空ファイバ２０４を流れたサンプル排ガスＢは、連結部２１０に連結した流出管２２４から排出される。なお、測定光Ｌは、第１光ファイバ３２から入光部２２６に入射し、入光部２２６、第１中空ファイバ２０２、連結部２１０、第２中空ファイバ２０４、出光部２２８の順で通過し、出光部２２８から第２光ファイバ３４に入射される。以下、各部の構成について説明する。
【００６１】
第１中空ファイバ２０２と第２中空ファイバ２０４とは、ともにフレキシブルなチューブであり、中空ファイバ２０と同様に排気管４（図示省略）の外周に巻きつけて配置されている。第１中空ファイバ２０２と第２中空ファイバ２０４とは、中空ファイバ２０と同様の構成であり、中空の円管部と、円管部の内壁の全面に配置された反射部とで構成される。第１中空ファイバ２０２と第２中空ファイバ２０４とは、内部にサンプル排ガスＢを流通し、後述する測定光Ｌを反射部で反射させる。
【００６２】
連結部２１０は、図１３および図１４に示すように、第１中空ファイバ２０２の他方の端部と第２中空ファイバ２０４の他方の端部とを連結している。なお、第１中空ファイバ２０２の他方の端部と第２中空ファイバ２０４の他方の端部とは、流入管２２２Ａと流入管２２２Ｂと連結していない側の端部である。連結部２１０は、筒状の形状であり、第１中空ファイバ２０２の他方の端部と第２中空ファイバ２０４の他方の端部とが向かい合う（対面する）位置で、第１中空ファイバ２０２と第２中空ファイバ２０４とを支持している。また、連結部２１０は、図１４および図１５に示すように、流出管２２４と連結した開口２１２が形成されている。連結部２１０は、第１中空ファイバ２０２の他方の端部と第２中空ファイバ２０４の他方の端部から排出されるサンプル排ガスＢを開口２１２から流出管２２４に排出する。また、第１中空ファイバ２０２に入射された測定光Ｌは、連結部２１０で向かい合うように配置された第１中空ファイバ２０２の他方の端部から第２中空ファイバ２０４の他方の端部に入射する。
【００６３】
流入管２２２Ａは、配管であり、一方の端部が排気管４に挿入され、他方の端部が入光部２２６を介して第１中空ファイバ２０２と連結している。流入管２２２Ａは、一方の端部から排気管４を流れる排ガスＡの一部がサンプル排ガスＢとして供給され、供給されたサンプル排ガスＢを他方の端部から第１中空ファイバ２０２に供給する。流入管２２２Ｂは、配管であり、一方の端部が排気管４に挿入され、他方の端部が出光部２２８を介して第２中空ファイバ２０４と連結している。流入管２２２Ｂは、一方の端部から排気管４を流れる排ガスＡの一部がサンプル排ガスＢとして供給され、供給されたサンプル排ガスＢを他方の端部から第２中空ファイバ２０４に供給する。なお、流入管２２２Ａと流入管２２２Ｂとは、排気管４に挿入され、一方の端部を共通の配管とし、その後分岐する形状としてもよい。
【００６４】
流出管２２４は、配管であり、一方の端部が連結部２１０を介して第１中空ファイバ２０２および第２中空ファイバ２０４と連結され、他方の端部が開放されている。流出管２２４は、一方の端部から第１中空ファイバ２０２および第２中空ファイバ２０４を流れるサンプル排ガスＢが供給され、供給されたサンプル排ガスＢを他方の端部から排出する。また、図示を省略するが流出管２２４には、吸引ポンプが配置されており、流出管２２４内の空気を一方の端部から他方の端部側へ吸引する。
【００６５】
入光部２２６は、流入管２２２Ａと第１中空ファイバ２０２の一方の端部とを連結している。また、入光部２２６は、第１光ファイバ３２が挿入されている。入光部２２６は、上述した入光部２６と同様の形状であり、中空ファイバ２０の一方の端部を塞ぐ蓋であり、蓋の一部に第１光ファイバ３２が挿入されている。入光部２２６は、流入管２２２Ａから供給されるサンプル排ガスＢを第１中空ファイバ２０２に流入させる。また、入光部２２６は、第１光ファイバ３２から照射される測定光Ｌを、第１中空ファイバ２０２に供給する。
【００６６】
出光部２２８は、第２中空ファイバ２０４の一方の端部と流入管２２２Ｂとを連結している。また、出光部２２８は、第２光ファイバ３４が挿入されている。出光部２２８は、接続されている配管が流出管２４から流入管２２２Ｂに代わった点を除いて上述した出光部２８と同様の構成であり、第２中空ファイバ２０４の一方の端部を塞ぐ蓋であり、蓋形状の一部に第２光ファイバ３４が挿入されている。出光部２２８は、流入管２２２Ｂから供給されるサンプル排ガスＢを第２中空ファイバ２０４に流入させる。また、出光部２２８は、第２中空ファイバ２０４内を進む測定光Ｌが、第２光ファイバ３４に到達し、第２光ファイバ３４に入射する。
【００６７】
計測セル２０１は、以上のような構成であり、吸引ポンプ２５を駆動し、流出管２２４の空気を吸引することで、排気管４内を流れる排ガスＡを流入管２２２Ａと流入管２２２Ｂに吸い込む空気の流れを形成する。これにより、排気管４内を流れる排ガスＡの一部は、サンプル排ガスＢとして流入管２２２Ａおよび流入管２２２Ｂに流入する。流入管２２２Ａに流入したサンプル排ガスＢは、入光部２２６から第１中空ファイバ２０２に供給される。第１中空ファイバ２０２に供給されたサンプル排ガスＢは、第１中空ファイバ２０２の端部から端部まで流れ、連結部２１０の開口２１２から流出管２２４に排出される。また、流入管２２２Ｂに流入したサンプル排ガスＢは、出光部２２８から第２中空ファイバ２０４に供給される。第２中空ファイバ２０４に供給されたサンプル排ガスＢは、第２中空ファイバ２０４の端部から端部まで流れ、連結部２１０の開口２１２から流出管２２４に排出される。また、流出管２２４に供給されたサンプル排ガスＢは、流出管２２４の他方の端部から外部に排出される。これにより、計測セル２０１は、サンプル排ガスＢを第１中空ファイバ２０２内と第２中空ファイバ２０４内に流すことができる。
【００６８】
また、計測セル２０１は、第１中空ファイバ２０２の一方の端部に入光部２２６と第１光ファイバ３２が接続され、第２中空ファイバ２０４の一方の端部に出光部２２８と第２光ファイバ３４が接続され、第１中空ファイバ２０２の他方の端部に第２中空ファイバ２０４の他方の端部とが対面した状態で連結部２１０によって支持されている。これにより、測定光Ｌは、第１光ファイバ３２から入光部２２６に入射し、入光部２２６、第１中空ファイバ２０２、連結部２１０、第２中空ファイバ２０４、出光部２２８の順で通過し、出光部２２８から第２光ファイバ３４に入射される。
【００６９】
濃度計測装置２００は、以上のような構成であり、２つの流入管２２２Ａ、２２２Ｂを設け、第１中空ファイバ２０２と第２中空ファイバ２０４に対してそれぞれにサンプル排ガスＢを供給する。また、濃度計測装置２００は、測定光Ｌを第１中空ファイバ２０２の一方の端部から入射し、第１中空ファイバ２０２の他方の端部から第２中空ファイバ２０４の他方の端部に入射させ、第２中空ファイバ２０４の一方の端部から出射させる。濃度計測装置２００は、これにより、測定光Ｌが通過するサンプル排ガスＢの距離をより長くすることができる。また、第１中空ファイバ２０２と第２中空ファイバ２０４に対してそれぞれにサンプル排ガスＢを供給することで、第１中空ファイバ２０２と第２中空ファイバ２０４を流れる排ガスＢの供給される時間帯を長くすることなく、測定光Ｌが通過するサンプル排ガスＢの距離をより長くすることができる。これにより、所定の時間帯のサンプル排ガスＢの濃度をより高い精度で計測することができる。
【００７０】
ここで、図１６は、計測セルの連結部を拡大して示す拡大断面図である。図１７は、計測セルの連結部を拡大して示す拡大外観図である。濃度計測装置２００のように、第１中空ファイバ２０２と第２中空ファイバ２０４の２つの中空ファイバを組み合わせる場合は、図１６および図１７に示すように、第２中空ファイバ２０４ａの径（中空部分の径）を、第１中空ファイバ２０２ａの径（中空部分の径）よりも大きくすることが好ましい。つまり、連結部２３０において、計測光Ｌが出射される側の第１中空ファイバ２０２ａの径を、計測光Ｌが入射される側の第２中空ファイバ２０４ａの径よりも小さくすることで、第１中空ファイバ２０２ａから出射した測定光Ｌをより確実に第２中空ファイバ２０４ａに入射させることができる。なお、この場合、連結部２３０は、第１中空ファイバ２０２ａ側から第２中空ファイバ２０４ａに向かうに従って径が大きくなる部分を設けることで第１中空ファイバ２０２ａと第２中空ファイバ２０４ａとを連結することができる。なお、この場合も連結部２３０には開口２３２を形成し、開口２３２からサンプル排ガスＢを排出する。
【００７１】
なお、上記実施形態では、出光部または連結部に流出管を接続し、中空ファイバを通過したサンプル排ガスＢ（流体）を流出管に供給したがこれに限定されない。濃度計測装置は、中空ファイバの終端（サンプル排ガスＢの流れ方向の下流側の端部）からそのままサンプル排ガスＢを排出してもよく、連結部の開口からサンプル排ガスＢをそのまま排出してもよい。つまり、流出管は必ずも設けなくてもよい。
【符号の説明】
【００７２】
２ エンジン
４ 排気管
１０ 濃度計測装置
１２ 計測セル
１４ 計測手段
２０ 中空ファイバ
２２ 流入管
２４ 流出管
２５ 吸引ポンプ
２６ 入光部
２８ 出光部
３２ 第１光ファイバ
３４ 第２光ファイバ
３６ 制御ユニット
４０ 発光部
４４ 受光部
４６ 光源ドライバ
４８ 算出部
５０ 制御部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象配管を流れる流体に含まれる対象物質の濃度を計測する濃度計測装置であって、
前記流体が通過する中空ファイバと、
前記対象配管と連結し、前記流体を前記中空ファイバの一方の端部に供給する流入管と、
測定対象の物質に固有の吸収が生じる波長を含む波長域の測定光を出力する発光部と、
前記中空ファイバの一方の端部に連結され、前記発光部から出力された測定光を案内し前記中空ファイバに入射させる第１光ファイバと、
前記中空ファイバの他方の端部に連結され、前記中空ファイバを通過した測定光が入射する第２光ファイバと、
前記第２光ファイバを案内される測定光を受光する受光部と、
前記受光部が受光した受光信号に基づいて前記流体に含まれる測定対象の物質の濃度を算出する算出部と、を有することを特徴とする濃度計測装置。
【請求項２】
前記中空ファイバは、前記対象配管に隣接していることを特徴とする請求項１に記載の濃度計測装置。
【請求項３】
前記中空ファイバは、前記流体を発生させる発生源または前記対象配管で生じる熱および振動の影響を受ける位置に配置されることを特徴とする請求項１または２に記載の濃度計測装置。
【請求項４】
前記中空ファイバの他方の端部に連結し、前記流体を前記中空ファイバから排出する流出管を、さらに有することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の濃度計測装置。
【請求項５】
前記中空ファイバの一方の端部と、前記流入管および第１光ファイバとを連結する入光部と、
前記中空ファイバの他方の端部と、前記流出管および第２光ファイバとを連結する出光部と、をさらに有することを特徴とする請求項４に記載の濃度計測装置。
【請求項６】
前記測定光は、近赤外または中赤外の波長域のレーザ光であることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の濃度計測装置。
【請求項７】
前記第１光ファイバは、径が前記中空ファイバの中空部分の径よりも小さいことを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の濃度計測装置。
【請求項８】
前記第２光ファイバは、径が前記中空ファイバの中空部分の径よりも大きいことを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の濃度計測装置。
【請求項９】
前記発光部とは異なる測定対象の物質に固有の吸収が生じる波長を含む波長域のサブ測定光を出力するサブ発光部および前記中空ファイバの一方の端部に連結され、前記サブ発光部から出力されたサブ測定光を案内し前記中空ファイバに入射させるサブ第１光ファイバとを備えるサブユニットを１つ以上備えることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の濃度計測装置。
【請求項１０】
対象配管を流れる流体に含まれる対象物質の濃度を計測する濃度計測装置であって、
前記流体が通過する第１中空ファイバと、
前記対象配管と連結し、前記流体を前記第１中空ファイバの一方の端部に供給する第１流入管と、
前記流体が通過する第２中空ファイバと、
前記対象配管と連結し、前記流体を前記第２中空ファイバの一方の端部に供給する第２流入管と、
前記第１中空ファイバの他方の端部と前記第２中空ファイバの他方の端部とを向かい合わせて前記第１中空ファイバと前記第２中空ファイバとを連結し、かつ、前記第１中空ファイバおよび第２中空ファイバを流れた前記流体を排出する開口を備える連結部と、
測定対象の物質に固有の吸収が生じる波長を含む波長域の測定光を出力する発光部と、
前記第１中空ファイバの一方の端部に連結され、前記発光部から出力された測定光を案内し前記第１中空ファイバに入射させる第１光ファイバと、
前記第２中空ファイバの他方の端部に連結され、前記第１中空ファイバおよび前記第２中空ファイバを通過した測定光が入射する第２光ファイバと、
前記第２光ファイバを案内される測定光を受光する受光部と、
前記受光部が受光した受光信号に基づいて前記流体に含まれる測定対象の物質の濃度を算出する算出部と、を有することを特徴とする濃度計測装置。
【請求項１１】
前記第２中空ファイバは、中空部分の径が、前記第１中空ファイバの中空部分の径よりも大きいことを特徴とする請求項１０に記載の濃度計測装置。
【請求項１】
対象配管を流れる流体に含まれる対象物質の濃度を計測する濃度計測装置であって、
前記流体が通過する中空ファイバと、
前記対象配管と連結し、前記流体を前記中空ファイバの一方の端部に供給する流入管と、
測定対象の物質に固有の吸収が生じる波長を含む波長域の測定光を出力する発光部と、
前記中空ファイバの一方の端部に連結され、前記発光部から出力された測定光を案内し前記中空ファイバに入射させる第１光ファイバと、
前記中空ファイバの他方の端部に連結され、前記中空ファイバを通過した測定光が入射する第２光ファイバと、
前記第２光ファイバを案内される測定光を受光する受光部と、
前記受光部が受光した受光信号に基づいて前記流体に含まれる測定対象の物質の濃度を算出する算出部と、を有することを特徴とする濃度計測装置。
【請求項２】
前記中空ファイバは、前記対象配管に隣接していることを特徴とする請求項１に記載の濃度計測装置。
【請求項３】
前記中空ファイバは、前記流体を発生させる発生源または前記対象配管で生じる熱および振動の影響を受ける位置に配置されることを特徴とする請求項１または２に記載の濃度計測装置。
【請求項４】
前記中空ファイバの他方の端部に連結し、前記流体を前記中空ファイバから排出する流出管を、さらに有することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の濃度計測装置。
【請求項５】
前記中空ファイバの一方の端部と、前記流入管および第１光ファイバとを連結する入光部と、
前記中空ファイバの他方の端部と、前記流出管および第２光ファイバとを連結する出光部と、をさらに有することを特徴とする請求項４に記載の濃度計測装置。
【請求項６】
前記測定光は、近赤外または中赤外の波長域のレーザ光であることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の濃度計測装置。
【請求項７】
前記第１光ファイバは、径が前記中空ファイバの中空部分の径よりも小さいことを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の濃度計測装置。
【請求項８】
前記第２光ファイバは、径が前記中空ファイバの中空部分の径よりも大きいことを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の濃度計測装置。
【請求項９】
前記発光部とは異なる測定対象の物質に固有の吸収が生じる波長を含む波長域のサブ測定光を出力するサブ発光部および前記中空ファイバの一方の端部に連結され、前記サブ発光部から出力されたサブ測定光を案内し前記中空ファイバに入射させるサブ第１光ファイバとを備えるサブユニットを１つ以上備えることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の濃度計測装置。
【請求項１０】
対象配管を流れる流体に含まれる対象物質の濃度を計測する濃度計測装置であって、
前記流体が通過する第１中空ファイバと、
前記対象配管と連結し、前記流体を前記第１中空ファイバの一方の端部に供給する第１流入管と、
前記流体が通過する第２中空ファイバと、
前記対象配管と連結し、前記流体を前記第２中空ファイバの一方の端部に供給する第２流入管と、
前記第１中空ファイバの他方の端部と前記第２中空ファイバの他方の端部とを向かい合わせて前記第１中空ファイバと前記第２中空ファイバとを連結し、かつ、前記第１中空ファイバおよび第２中空ファイバを流れた前記流体を排出する開口を備える連結部と、
測定対象の物質に固有の吸収が生じる波長を含む波長域の測定光を出力する発光部と、
前記第１中空ファイバの一方の端部に連結され、前記発光部から出力された測定光を案内し前記第１中空ファイバに入射させる第１光ファイバと、
前記第２中空ファイバの他方の端部に連結され、前記第１中空ファイバおよび前記第２中空ファイバを通過した測定光が入射する第２光ファイバと、
前記第２光ファイバを案内される測定光を受光する受光部と、
前記受光部が受光した受光信号に基づいて前記流体に含まれる測定対象の物質の濃度を算出する算出部と、を有することを特徴とする濃度計測装置。
【請求項１１】
前記第２中空ファイバは、中空部分の径が、前記第１中空ファイバの中空部分の径よりも大きいことを特徴とする請求項１０に記載の濃度計測装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【公開番号】特開２０１２−２３７６８４（Ｐ２０１２−２３７６８４Ａ）
【公開日】平成２４年１２月６日（２０１２．１２．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１０７６１７（Ｐ２０１１−１０７６１７）
【出願日】平成２３年５月１２日（２０１１．５．１２）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【出願人】（３０４０２０２９２）国立大学法人徳島大学 (307)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月６日（２０１２．１２．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月１２日（２０１１．５．１２）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【出願人】（３０４０２０２９２）国立大学法人徳島大学 (307)
【Ｆターム（参考）】
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